Morphologie innerer Grenzflächen in verdünnt stickstoffhaltigen III/V-Materialsystemen
| Autor: | Oberhoff, Stefan |
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| Přispěvatelé: | Stolz, Wolfgang (Dr.) |
| Jazyk: | němčina |
| Rok vydání: | 2008 |
| Předmět: |
Dilute nitride compound semiconductors
Physics Verdünnt stickstoffhaltige III/V-Halbleiter Metastabilität Halbleitergrenzfläche structure and nonelectronic properties quantum beats photon echo free-induction decay dephasings and revivals optical nutation and self-induced transparency ... ... Dynamics of nonlinear optical systems optical instabilities optical chaos and optical spatio-temporal dynamics see 42.65.Sf ... ... Optical solitons nonlinear guided waves see 42.65.Tg [II-VI semiconductors -- Photoluminescence properties and materials -- III-V semiconductors -- -- Microscopy of surfaces interfaces and thin films -- Atomic force microscopy (AFM) -- Physical properties of thin films nonelectronic -- Low-dimensional mesoscopic and nanoscale systems] Interior interfaces Physik Grenzflächenaktiver Stoff Selektives Ätzen (GaIn)(NAs) Halbleiter Ga(NAsP) Drei-Fünf-Halbleiter ddc:530 nonlinear guided waves see 42.65.Tg (GaIn)(NAsSb) 2007 [II-VI semiconductors Photoluminescence properties and materials III-V semiconductors Microscopy of surfaces interfaces and thin films Atomic force microscopy (AFM) Physical properties of thin films nonelectronic Low-dimensional mesoscopic and nanoscale systems] Innere Grenzflächen Heterostruktur |
| Popis: | Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand darin, Strukturbildungsprozesse in verdünnt stickstoffhaltigen III/V-basierten Materialsystemen aufzuklären, wobei mit Hilfe von hochselektiven Ätzverfahren innere Grenzflächen freigelegt und rasterkraftmikroskopisch analysiert wurden. Aufgrund der metastabilen Natur der Systeme (GaIn)(NAs) und Ga(NAsP) gestaltet sich deren Strukturbildung sehr komplex und beeinflusst in großem Maße die Abscheidung von entsprechenden Bauelementen, z.B. Laser und Solarzellen, mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE). Im GaAs-basierten (GaIn)(NAs)-System diente ein bereits etabliertes Ätzverfahren dazu, den Einfluss von Sb auf die Strukturentwicklung zu untersuchen. (GaIn)(NAs)-Material zeichnet sich dadurch aus, dass eine strukturelle Degradation des Materials („struktureller Phasenübergang“) auftritt, sobald ein bestimmter kritischer N-Gehalt oder eine kritische Wachstumsunterbrechungszeit (WU) überschritten wird. Im ersten Teil dieser Arbeit konnte nun erstmals direkt nachgewiesen werden, dass die Zugabe von Sb während der Wachstumsunterbrechung den WU-induzierten strukturellen Phasenübergang unterdrückt und die Diffusivität auf GaAs- und (GaIn)(NAs)-Oberflächen erniedrigt. Die Dynamik des Strukturbildungsprozesses ist sowohl von der Wachstumstemperatur des Materials als auch vom Sb-Gehalt in der Gasphase abhängig. Hierbei treten in erheblichem Maße Segregations- und Desorptionseffekte auf, was durch quantitative Untersuchungen mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) belegt werden konnte. Allerdings wird die Triebkraft des strukturellen Phasenübergangs durch den Einsatz von Sb während der WU nicht beeinflusst, weswegen im zweiten Teil der Arbeit elementare Untersuchungen über den Einbau von Sb in GaAs, Ga(NAs) und (GaIn)(NAs) erfolgten. Mittels einer Kombination aus hochauflösender Röntgenbeugung (HRXRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und SIMS-Messungen wurde nachgewiesen, dass durch die Zugabe von Sb der In-Gehalt des quaternären (GaIn)(NAs)-Materials ansteigt, bei gleichzeitiger Abnahme des N-Gehaltes. Der Anstieg des In-Gehaltes ist auf eine Sb-induzierte Reduktion des effektiven Ga-Partialdrucks in der Gasphase zurückzuführen und bewirkt eine erhöhte N-Desorption, allerdings konnte belegt werden, dass dieser Effekt alleine nicht ausreicht, um die drastische Reduktion des N-Gehaltes zu erklären, sondern eine zusätzliche Sb-induzierte N-Desorption auftritt, welche einem Langmuir-Mechanismus gehorcht. Nachdem diese Prozesse identifiziert worden sind, eröffnet sich erstmals die Möglichkeit, den Sb-Einbau in (GaIn)(NAs) unter Beibehaltung der ursprünglichen Zusammensetzung zu untersuchen, was dahingehend von Relevanz ist, dass der Einbau von Sb in der Molekularstrahlepitaxie (MBE) zu einer deutlichen Vergrößerung des (GaIn)(NAs)-Wachstumsfensters führt. Im dritten Teil der Arbeit wurden für das GaP-basierte Materialsystem Ga(NAsP) Ätzverfahren von Grund auf neu entwickelt, welche es ermöglichen, auch in diesem System Strukturentwicklungsprozesse auf inneren Grenzflächen rasterkraftmikroskopisch zu analysieren. Umfangreiche Funktionalitäts- und Selektivitätsuntersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass GaP-Barrierengrenzflächen durch Entfernung eines AlP/(GaIn)P-Caps mittels 30% Salzsäure (HCl-Verfahren) oder durch Entfernung eines Ga(NAsP)-Caps mittels ammoniakalischer Wasserstoffperoxid-Lösung (H2O2-Verfahren) zugänglich sind. Innere Grenzflächen von quaternärem Ga(NAsP)-Material können ebenfalls mit Hilfe des HCl-Verfahrens freigelegt werden, wobei sowohl AlP/(GaIn)P als auch GaP als Cap-Material zum Einsatz kommen kann. Durch Kombination von HCl- und H2O2-Verfahren können innere QW- und Barrierengrenzflächen sukzessive freigelegt werden, was unter Zuhilfenahme von Defekten als Positionsmarker erstmals die direkte Korrelation zweier übereinanderliegender Grenzflächen mit einer Genauigkeit von weniger als 20 nm ermöglicht. Die Strukturentwicklung der inneren Grenzflächen bei Wachstumsunterbrechung ist abhängig von der Material- und der Gasphasenzusammensetzung: Bei gitterangepasstem Ga(NAsP)-Solarzellenmaterial mit hohem Stickstoffgehalt wird die Strukturentwicklung von lokalen, N-induzierten Spannungsfeldern dominiert, während bei kompressiv verspanntem Ga(NAsP)-Lasermaterial mit niedrigem N-Gehalt überwiegend die integrale Verspannung als Triebkraft wirkt. This study aims to clarify structure formation processes in dilute N-containing III/V-based material systems, using highly selective etching methods and subsequent atomic force microscopy (AFM) to expose and analyse interior interfaces. Due to their metastable nature, the material systems (GaIn)(NAs) and Ga(NAsP) show very complex structure formation processes which strongly affect the deposition of devices, e.g. lasers and solar cells, by metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE). A previously established etching method was used to investigate the influence of Sb on the structure formation in GaAs-based (GaIn)(NAs). This material is characterized by a structural degradation (“structural phase transition”) which emerges as soon as a critical N-content or a critical growth interruption time (GI) is exceeded. In the first part of this study it was directly proved for the first time that adding Sb during growth interruption inhibits the GI-induced structural phase transition and reduces the diffusivity on GaAs and (GaIn)(NAs) surfaces. The dynamics of the structure formation process depend on the growth temperature of the material as well as the Sb content of the gas phase. Quantitative investigations using secondary ion mass spectrometry (SIMS) indicate that, during this process, Sb segregates and desorbs to a large extent. However, applying Sb during GI does not affect the driving force of the structural phase transition. Therefore a fundamental analysis about the incorporation of Sb into GaAs, Ga(NAs) and (GaIn)(NAs) was carried out in the second part of the study. Using a combination of high resolution x-ray diffraction (HRXRD), transmission electron microscopy (TEM) and SIMS measurements, it was verified that incorporating Sb into (GaIn)(NAs) causes an increase of the In content and a decrease of the N content. The increased In content results from an Sb-induced reduction of the effective Ga partial pressure in the gas phase and leads to an enhanced N-desorption. However, it could be shown that this effect is not sufficient by itself to explain the drastic reduction of the N content: there is an additional Sb-induced N-desorption which obeys a Langmuir mechanism. After these processes have been identified, for the first time the possibility arises to investigate the Sb incorporation into (GaIn)(NAs) while preserving the original composition. This is important in so far as the incorporation of Sb using molecular beam epitaxy (MBE) results in a considerably enhanced (GaIn)(NAs) growth window. In the third part of the study, novel etching methods for the GaP-based material system Ga(NAsP) are introduced which provide the opportunity to analyse structure formation processes on interior interfaces in this material system by AFM. Comprehensive investigations of functionality and chemical selectivity lead to the result that GaP barrier interfaces are accessible by removing an AlP/(GaIn)P cap with 30% hydrochloric acid (HCl method) or by removing a Ga(NAsP) cap with ammoniacal hydrogen peroxide solution (H2O2 method). Interior interfaces of quaternary Ga(NAsP) material can also be exposed by the HCl method, using AlP/(GaInP) or GaP as cap material. Consequently, interior quantum well and barrier interfaces can be exposed consecutively by combining the HCl and H2O2 methods. Using defects to mark the position, this procedure allows, for the first time, a direct correlation of two interior interfaces with an accuracy of less than 20 nm. The structure formation processes of the interior interfaces during growth interruption depend on the material and the gas phase composition: the structure formation of lattice matched Ga(NAsP) solar cell material with high N content is governed by local, N-induced strain fields, whereas the integral strain acts as a predominant driving force in compressively strained Ga(NAsP) laser material with low N content. |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
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