Wachstumskinetik der Gruppe-III-Nitride bei großen Gitterfehlanpassungen

Kraus, Andreas

Aufgrund seiner (opto-)elektronischen Eigenschaften und besonders durch die stets direkte aber mit der Komposition der ternären Verbindungen einstellbare Bandlücke, erfährt das System der Gruppe-III-Nitride extrem großes Interesse. Die speziellen Eigenschaften von Indium sowie die großen Unterschiede der Gitterkonstanten der binären Verbindungen verursachen nach wie vor große Probleme hinsichtlich der strukturellen Eigenschaften, wenn in hohem Maße Indium Teil der Verbindung ist. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode für das Wachstum von InN mittels plasmagestützter Molekularstrahlepitaxie auf (0001)-GaN Templates vorgestellt, mit der außerordentlich glatte und mehrere Quadratmikrometer große InN-Inseln realisiert werden können. Diese als Doppelpuls-Verfahren betitelte Methode beruht auf dem Alternieren der Quellflüsse in kurzen Pulsen. Es werden einige Probenserien und deren Charakterisierung vorgestellt, mit deren Hilfe aufgezeigt wird, welchen Einfluss die Gesamtperiodenzahl, die Substrattemperatur, das V/III-Verhältnis sowie das Substratmaterial auf die Evolution und Gestalt der InN-Inseln haben. Die Proben wurden hauptsächlich mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Reflexionselektronenbeugung (RHEED) und hochauflösende Röntgendiffraktometrie (HRXRD) charakterisiert. Basierend auf diesen Ergebnissen wird ein Wachstumsmodell beschrieben. Dieses Modell beschreibt das Zusammenspiel von In-Effusion aus der Knudsenzelle, Diffusion der Atome auf der Oberfläche, Dekomposition von InN sowie die Desorption von In und Stickstoff. Unterstützt wird das Modell durch eine Monte-Carlo-Simulation bei der besagte Prozesse simuliert werden. Die Ergebnisse dieser Simulation zeigen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den experimentellen Befunden. Die Beigabe eines geringen Ga-Flusses bewirkt mit dem an der Oberfläche befindlichen Indium einen Surfaktant-Effekt mit dessen Hilfe nahezu geschlossene und außerordentlich Glatte InN-Schichten realisiert werden können. Ein Teil der Arbeit befasst sich darüber hinaus mit dem Wachstum von GaInN. Mit Hilfe des konventionellen Wachstums können In-Gehalte von bis zu 30% realisiert werden. Weit höhere I ndiumgehalte sind mit Hilfe des Doppelpuls-Verfahrens möglich. Demonstriert werden Proben die einen Indiumgehalt von bis zu 85% aufweisen.

Due to the outstanding (opto-)electronical properties of the group-III-nitrides and especially due to the tunable bandgap of the ternary alloys this material system is attracting much interest. However, because of the special properties of indium and the large lattice mismatch between the binary III-nitrides, high indium content material is still affected by high defect densities and poor structural quality. In this thesis a method for the growth of InN on (0001)-GaN templates using plasma assisted molecular beam epitaxy is presented. Using this so called double-pulsed growth mode, which is based on alternating fluxes using short and consecutive source pulses, extraordinary flat and huge InN islands can be obtained. By investigating a couple of different sample series the growth kinetics of the islands are investigated. In addition to the variation of the cycle numbers to investigate the evolution of the islands the influence of the substrate temperature, the V/III ratio and different substrate materials are studied. Those investigations were primarily done by reflection high energy electron diffraction (RHEED), atomic force microscopy (AFM) and high resolution X-ray diffraction (HRXRD). Based on this investigations a growth model is presented, which describes the interaction between In-effusion from the crucible, diffusion of the surface atoms, decomposition of InN and desorption of indium and nitrogen. The model is supported by a Monte Carlo simulation where the aforesaid processes are simulated. The results of this simulation are in satisfactory agreement with the experimental results. It is shown that by adding a little amount of gallium to the double-pulsed growth of InN a progressed coalescence can be observed. Through optimization of the temperature and flux rates this surfactant effect leads to almost fully coalesced surfaces. Furthermore, the growth of GaInN is investigated. Conventionally grown GaInN exhibits an indium incorporation limit of about 30%. By applying the double-pulsed growth to the GaInN material system much higher indium contents are possible. Samples with up to 85% indium are presented.

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Kraus, Andreas: Wachstumskinetik der Gruppe-III-Nitride bei großen Gitterfehlanpassungen. 2015.

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