Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2003
Programm und Abstracts der Sitzung HL 24

Konzepte zur Verspannungs- und Versetzungsreduktion in der GaN-Epitaxie auf Si(111)

•Armin Dadgar¹, Gunther Straßburger¹, Jürgen Bläsing¹, Margarethe Poschenrieder¹, Oscar Contreras², Andre Krtschil¹, Till Riemann¹, Antje Reiher¹, Fernando A. Ponce², Jürgen Christen¹ und Alois Krost^1
1Institut für Experimentelle Physik, Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Postfach 4120, 39016 Magdeburg
²Department of Physics and Astronomy, Arizona State University, Tempe, AZ, USA

Das Wachstum von dicken GaN Schichten auf Silizium ist durch die hohe thermische Fehlanpassung der Materialien sehr erschwert. Daher ist die Kompensation der thermisch induzierten tensilen Verspannung der Schlüssel zur Herstellung von GaN-basierten Bauelementen auf Silizium. Wir verwenden zur Reduktion von Verspannungen in der metallorganischen Gasphasenepitaxie Niedertemperatur AlN-Zwischenschichten, die auch die Versetzungsdichte reduzieren können. Desweiteren kann auch durch in-situ abgeschiedene SiN-Masken eine Reduktion der Versetzungsdichte und teilweise der Schichtverspannung erzielt werden. Mit einer in-situ Meßtechnik haben wir die Verspannung während des Schichtwachstums gemessen und können direkt den Einfluß von Zwischenschichten auf die Verspannung beobachten. Die Messungen der Schichtverspannung werden ergänzt durch die ex-situ Untersuchung der strukturellen und optischen Eigenschaften mittels Röntgendiffraktometrie, Photo- und Kathodolumineszenz, Rasterkraft- und Transmissionselektronenmikroskopie.

Tiefenaufgelöste Strukturuntersuchungen an Nitrid-Halbleiter-Schichtsystemen mittels SAXRD (Skew Angle X-Ray Diffraction)

•Antje Reiher, Jürgen Bläsing, Armin Dadgar und Alois Krost
Universität Magdeburg, Postfach 4120, D- 39016 Magdeburg

Das wesentliche Problem bei der Züchtung von nitridischen Halbleiterschichten ist die hohe Störungsdichte, die sich aus Versetzungen, inhomogenen Verzerrungen und der Mosaizität der Kolumnen zusammensetzt. Wenn die Mosaizität durch herkömmliche Röntgendiffraktionsmessungen bestimmt wird, ist das Ergebnis eine Mittelung über die gesamte Schichtdicke.

In diesem Beitrag wird die Methode der SAXRD vorgestellt, mit der das Störungsprofil z.B. von GaN tiefenabhängig bestimmt werden kann. Dabei wird die Probe um die Normale der asymmetrischen (1013)Netzebenenschar gedreht. Durch die Drehung wird der Einfallswinkel und damit die Wichtung der Streubeträge aus den unterschiedlichen Tiefen verändert. Mit dem vorgestellten Aufbau sind hochauflösende Diffraktionsmessungen wie Rockingkurven, 2:1-Scans und reciprocal space maps (RSMs) möglich. Es wird eine Möglichkeit aufgezeigt, mit der die realen Halbwertsbreiten aus den gemessenen, gewichtet gemittelten Halbwertsbreiten bestimmt werden können.

Einfluss von Störstellen und Inhomogenitäten auf die photoelektrischen Eigenschaften von undotierten GaN-Schichten

•K. Flügge, H. Witte, E. Schrenk, A. Krtschil, A. Dadgar, A. Krost und J. Christen
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Postfach 4120 Magdeburg

Nominell undotierte GaN-Schichten hergestellt mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie auf Saphirsubstraten wurden mittels Photoleitung und Photo-Halleffekt untersucht. In undotiertem GaN mit geringer Dunkelbeweglichkeit wurde als wesentliche Komponente der Photoleitung eine Erhöhung der Photo-Beweglichkeit beobachtet. Während dessen zeigt die Photo-Elektronenkonzentration nur eine geringfügige Verringerung oder Erhöhung. Mittels intensitätsabhängigen Photo-Halleffekt- und ortsaufgelösten Oberflächenpotential- Messungen wird der Zusammenhang zwischen Potentialfluktuationen und der Erhöhung der Photo-Beweglichkeit nachgewiesen. Weiterhin weisen spektrale Photo-Halleffekt-Messungen ausgeprägte Störstellen-Band-Übergänge auf. An diesen Proben durchgeführte Quenching Experimente zeigen, dass diese Effekte durch die Umladung von inhomogen verteilten Störstellen erzeugt werden, die mit den nachgewiesenen Potentialfluktuationen im Zusammenhang stehen.

Wachstum und Charakterisierung von AlGaN/GaN HEMTs auf Si-Substraten

H. Kalisch¹, Y. Dikme¹, M. Fieger¹, A. Szymakowski¹, H. Klockenhoff¹, P. Javorka², M. Marso², N. Nastase², P. Kordos², H. Lüth², M. Heuken^3,4 und R. H. Jansen^1
2Institut für Schichten und Grenzflächen, FZ Jülich
³AIXTRON AG, Aachen
⁴Institut für Halbleitertechnik, RWTH Aachen
¹Institut für Theoretische Elektrotechnik, RWTH Aachen

HEMT-Strukturen wurden in AIXTRON-Reaktoren auf 2''-Si(111)-Substraten abgeschieden. Die Herausforderung ist hierbei die Rissbildung bei Abkühlung wegen der stark unterschiedlichen Gitterkonstanten und der großen Differenz in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Si und GaN. Ein Ausweg sind spezielle Pufferstrukturen aus AlN, AlGaN und GaN, abgeschieden bei unterschiedlichen Wachstumstemperaturen (635^°C -1170^°C). AlN besitzt eine Gitterkonstante ähnlich GaN und einen Ausdehnungskoeffizienten ``zwischen'' Si und GaN. Daher dienen die Schichtfolgen aus Al(Ga)N dazu, die Verspannung während der Abkühlphase zu verringern. Rissfreie Strukturen konnten hergestellt werden. Hall-Messungen an dotierten HEMT lieferten Schichtkonzentrationen von bis zu 1,3·10¹³ cm^-2 und Beweglichkeiten bis zu 1170 \fraccm²V s. Zur Charakterisierung wurden RundHEMT-Devices hergestellt. Der beste spez. Kontaktwiderstand der ohmschen Kontakte liegt bei 3,8·10^-6 W cm². Die Transistoren zeigen eine maximale Steilheit von 148 \fracmSmm bei U_DS = 6 V und einen Strom von 439 \fracmAmm (U_GS = 1 V, Gatelänge 900 nm). Durchbruchspannungen U_DS von 70 V und f_t/f_max = 3,3 GHz/3,7 GHz (evtl. durch die Transistorgeometrie begrenzt) wurden erreicht.

Korrelationsuntersuchungen von strukturellen und optischen Eigenschaften von (In_xGa_1-xN/GaN)-Multiquantumwellstrukturen auf Si(111)

•Fabian Schulze, J. Bläsing, A. Dadgar, M. Poschenrieder und A. Krost
Institut für Experimentelle Physik, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, PF 4120, 39016 Magdeburg

Die gezielte Optimierung von nitridischen Halbleiterschichtsystemen zur Herstellung von optischen Bauelementen auf Si(111) bedarf der genauen Kenntnis der Zusammenhänge von Wachstumsparameter, struktureller und optischer Eigenschaften der Proben. Mittels röntgenografischer Strukturuntersuchungen wurden daher Probenserien unterschiedlicher MOCVD-Abscheideparameter wie: Temperatur, Gasfluss und Wachstumszeit eingehend untersucht und deren Einfluss auf die Probenstruktur ermittelt. Die Kombination von hochauflösender Röntgendiffraktometrie (HRXRD) und Röntgenreflektometrie (XRR) ist hierbei insbesondere zur genaueren Bestimmung der In-Konzentrationen notwendig. Bei nominell 30% konnten dabei In-Fluktuationen von 20% bis 35% sowie ein extremer Anstieg der Grenzflächenrauhigkeiten nachgewiesen werden. Mittels Photolumineszenzmessungen wurden die Emissionsspektren der Probenserien ermittelt und mit den Schichtparametern korreliert. Die Wahl eines wellenlängenoptimierten Parametersatzes und der Einfluss von Probendotierung werden diskutiert.

Hydrogen sensitivity of Pt and Pd Schottky diodes on GaN and AlGaN

•O. Weidemann, M. Hermann, G. Steinhoff, M. Stutzmann und M. Eickhoff
Walter Schottky Institut, Technische Universität München, Am Coulombwall 3, 85748 Garching, Germany

The chemical and thermal stability of GaN and AlGaN makes them promising materials for devices operating under harsh environments and high temperatures. This stability is of great interest especially for gas sensing applications like monitoring of hydrogen and hydrocarbons in combustion processes. Pt and Pd Schottky diodes have been processed on MBE-grown GaN- and AlGaN- films of both polarities and with various Al contents after different surface treatments, such as thermal and anodic oxidation. The electronic properties of the resulting diodes have been compared with in-situ Pd contacts evaporated in the UHV directly after growth to prevent formation of a native oxide at the interface. AFM, XPS, IV and CV techniques were used to characterize these devices. The results are discussed and compared with the sensitivity and transient behavior of the response to hydrogen at different temperatures.

Electron Spin Resonance of Mn²⁺ in hexagonal wurtzite GaN and AlN films

•T. Graf¹, M. Gjukic¹, M. S. Brandt¹, O. Ambacher² und M. Stutzmann^1
1Walter Schottky Institut, Technische Universität München, 85748 Garching
²Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien, Technische Universität Ilmenau, 98684 Ilmenau

We have investigated MBE-grown GaN:Mn and AlN:Mn layers with Mn doping concentrations around 10²⁰cm^-3 with X-band Electron Spin Resonance spectroscopy. The observed resonances are consistent with isolated, axially distorted ⁵⁵Mn²⁺ centers with an isotropic Zeeman interaction with g = 2.000 and hyperfine interactions A = -69 G. The observed axial crystal field D varies between -218 to -236 G depending on the biaxial strain in the GaN layers, and reaches -648 G in relaxed AlN films in agreement with Newman's superposition model for small displacements from the substitutional Ga and Al sites. At intermediate orientations of the crystalline c-axis with respect to the magnetic field, intermixing occurs between the nuclear spin eigenstates due to off-diagonal elements in the spin Hamiltonian, which strongly enhances the transition probabilities of usually forbidden ESR transitions with |Dm_i| > 0. However, unlike in GaAs:Mn²⁺ at similar doping concentrations, there is no evidence for electrostatic or magnetic coupling to extended valence band states, which is a prerequisite of ferromagnetic exchange required for spintronic devices.

Optische Nahfeldspektroskopie an GaN ELOG-Strukturen

•F. Hitzel¹, A. Hangleiter¹, S. Miller², A. Weimar², G. Brüderl², A. Lell² und V. Härle^2
1Institut für Technische Physik, Technische Universität Braunschweig, Mendelssohnstr. 2, 38106 Braunschweig
²OSRAM Opto Semiconductors, Wernerwerkstr. 2, 93049 Regensburg

Für die Herstellung von GaN basierten Laserdioden ist man auf Techniken zur Defektreduzierung angewiesen, um die erforderlichen Lebensdauern zu erreichen [1]. Die gebräuchlichsten Methoden sind die sogenannten Epitaxial Lateral Overgrowth (ELOG)-Techniken. Die Effizienz der Defektreduzierung hängt davon ab, ob beim Wachstum durch zusätzliche Verspannungen nicht neue Defekte eingebaut werden.

Eine direkte Kontrolle einer ELOG-Struktur bezüglich Defektdichte und Verspannungen ermöglicht das Optische Nahfehldmikroskop, mit Hilfe dessen mit Auflösungen besser als 100 nm die Unterschiede zwischen lateral (Wing) und vertikal (Window) gewachsenen Bereichen untersucht werden können. Die Defektdichte hängt hierbei direkt mit der Lumineszenzintensität und die Verspannung mit der Verschiebung der maximalen Emissionswellenlänge zusammen.

Wir haben verschiedenartig gewachsene GaN-ELOG-Strukturen bezüglich der Effizienz der Defektreduzierung untersucht. Es konnte ein Zusammenhang zwischen Wing-Tilt und einer erhöhten Defektdichte am Wing-Window-Interface festgestellt werden, die wiederum zu einem inhomogenen Wachstum im Wing führt.

[1] S. Nakamura et. al., Appl. Phys. Lett. 72, 211 (1998).

Crystallographic wing tilt in laterally overgrown GaN

•Claudia Roder¹, Heidrun Heinke¹, Detlef Hommel¹, Thomas M. Katona², James S. Speck³ und Steve P. DenBaars^3
2Electrical and Computer Engineering Department, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA
³Materials Department, University of California, Santa Barbara, CA 93106, USA
¹Institut für Festkörperphysik, Universität Bremen, Pf. 330440

Thin uncoalesced GaN layers grown on Si(111) by maskless cantilever epitaxy have been investigated using high resolution x-ray diffraction at variable temperatures. The laterally growing wing regions of these structures commonly have a different crystallographic orientation relative to the seed region as they are tilted with respect to the surface normal in plane perpendicular to the stripe direction. This crystallographic tilt of the free-hanging wings relativ to the stripe regions of the samples was determined for different temperatures. With increased temperature the wing tilt decreased non-linearly and seemed to approach a constant value at higher temperatures. The wing tilts of two samples differing at room temperature by one order of magnitude were found to vary by less than 20% between 300 K and 1020 K. This suggests that the main part of the crystallographic wing tilt is not thermally induced for samples grown with the cantilever epitaxy technique.

MOCVD growth of thick, crack free GaN on Si(111) using a graded Al_xGa_1-xN high temperature buffer layer

•Andreas Able und Werner Wegscheider
Institut für Angewandte und Experimentelle Physik, Universität Regensburg, 93040 Regensburg

Recently, the attention on Si(111) as a potential substrate for nitride heterostructures has grown, because of its low price, high quality and availability in a wide range of doping levels. Furthermore, there is the possibility to combine conventional Si based structures with group III-nitride films on a single wafer.

Compared to sapphire or SiC, silicon is much less suitable for growth of high quality nitride films. Large lattice mismatch (17%), large tensile mismatch in thermal expansion coefficients and film-substrate-reactions require complex buffer structures and intermediate layers.

Marchand et.al. have shown that by introducing graded Al_xGa_1-xN buffers, compressive stress can be induced in the films during growth, which leads to a strong reduction in total stress after cooldown.

We have improved this concept and have grown GaN films on Si(111) with thicknesses above 2mm without cracking. The films were grown using a two step buffer system starting with a 80 - 100nm thick high temperature (1160^°C) AlN buffer, followed by a thick ( 500nm) graded AlxGa1-xN intermediate layer. Subsequently grown GaN films are crack free and of high crystal quality as shown by HRXRD. Despite the low doping efficiency in pure AlN, Si doped buffers show very low series resistance.

JAP,89,7846(2001)

Untersuchungen zur vertikalen Stapelung von selbstorganisierten GaInN-Quantenpunkten

•A. Erb, V. Perez-Solorzano, H. Gräbeldinger, H. Schweizer und F. Scholz
4. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart, 70550 Stuttgart

Selbstorganisierte GaInN-Quantenpunkte (QD) können die Erschließung des blauen und grünen Spektralbereichs mit Laserdioden ermöglichen. Für solche Anwendungen sind hohe QD-Dichten bei homogenen Abmessungen der einzelnen Punkte erforderlich. Wie von anderen Materialsystemen bekannt, können diese Eigenschaften durch Mehrfachstapelung von QD-Schichten verbessert werden. Die GaInN-QD werden mittels MOVPE im Stranski-Krastanov-Wachstumsmodus auf GaN-Pufferschichten hergestellt. Ziel unserer jüngsten Arbeiten ist es, die GaN-Deckschicht über den GaInN-QD soweit zu optimieren, dass weitere QD-Schichten erfolgreich gestapelt werden können. Dafür variieren wir Epitaxie-Parameter wie Wachstumstemperatur, Schichtdicken und Pausen zwischen den verschiedenen Schichten. Wie mit Rasterkraft-Mikroskopie nachgewiesen wurde, erzielt man bei der Bedeckung der GaInN-QD mit einer dünnen Tieftemperatur GaN-Schicht und einer weiteren GaN-Schicht bei höheren Temperaturen eine glatte Oberfläche. Hierauf kann die nächste QD-Schicht epitaxiert werden. Photolumineszenz-Messungen sollten weiterhin sicherstellen, dass die GaInN-QD beim Überwachsen nicht zerstört wurden.

Dielectric Function of Narrow Band Gap InN

•Rüdiger Goldhahn¹, S. Shokhovets¹, V. Cimalla², O. Ambacher², J. Furthmüller³, F. Bechstedt³, H. Lu⁴ und W.J. Schaff^4
1Institut of Physics, TU Ilmenau, PF 100565, 98684 Ilmenau
²Center for Micro- and Nanotechnologies, TU Ilmenau
³FSU Jena
⁴Cornell University, Ithaca, U.S.A.

Early studies of sputtered layers indicated a fundamental band gap for InN of about 2 eV. However, recent investigations of MBE grown films revealed a considerably narrower gap of InN between 0.7 eV and 0.9 eV. So far, no reliable experimental data have been reported on the dielectric function (DF) of InN allowing in addition the determination of transition energies for critical points of the band structure. We present for the first time a comprehensive study (spectroscopic ellipsometry in the spectral region of 0.75 eV to 5.5 eV, HRXRD) of MBE grown and sputtered InN films. Only MBE grown layers (band gap 0.8 eV) exhibit a DF coinciding in the spectral dependency with results of first-principles calculations. Two critical points of the band structure are clearly resolved at 4.9 eV and 5.3 eV. In contrast, optical spectra of sputtered InN films show an absorption edge at about 2 eV and a less pronounced structure at higher photon energies. In addition, we present DFs of In-rich InGaN alloys. From the extracted gap energies, a bowing parameter of b=1.5 eV for this alloy system can be estimated. All results provide further evidence that InN is a narrow band gap semiconductor.

Laterales Wachstum von GaN/AlGaN auf photoelektrochemisch strukturiertem SiC

•U. Ahrend, N. Riedel, F. Hitzel, U. Rossow und A. Hanglei ter
TU Braunschweig, Inst. f. Techn. Physik, 38106 Braunschweig; u.ahrend@tu-bs.de

Zur Defektreduzierung in der Heteroepitaxie von Gruppe-III Nitriden werden laterale Wachstumsmodi verwandt. Damit konnten Ef f izienzsteigerungen und eine Verlängerung der Lebensdauer von blauen und ultravioletten Leuchtdioden und -lasern erreicht werden.

Verglichen mit konventionellem lateralem Wachstum (ELOG) unter Verwendung von SiO₂-Masken ist das direkte Strukturieren von SiC-Substraten im Prozessablauf des MOCVD-Wachstums vorteilhaft. Ein störender Sauerstoffeintrag in die Schichten wird vermieden. Desweiteren ist die Strukturierung der Probe strikt vom Wachstumprozess getrennt, was z.B. eine einfache Reinigung des Substrates nach dem Ätzen ermöglicht. Zur Strukturierung dieses chemisch sehr beständigen Materials wurde hier ein photoelektrochemischer Ätzprozess verwendet. Gegenüber Trockenätzverfahren entstehen keine Kristalldefekte und die herausgebildeten Oberflächen sind vorwiegend SiC-Facetten. Die so strukturierten Substrate werden mit AlGaN bzw. GaN überwachsen. Dabei wird systematisch das Anwachsverhalten in Abhängigkeit von der Beschaffenheit von Stegen und Gräben untersucht. Bei den homogen überwachsenen Strukturen konnte laterales Wachstum mit redzuierter Defektdichte, vollständiger Koaleszenz und eine mit optischer Nahfeldspektroskopie gemessenen deutlich erhöhte Lumineszenz festgestellt werden.

Epitaxie und Charakterisierung von ELOG-GaN-Strukturen auf SiC-Substraten

•S. Miller¹, H.-J. Lugauer¹, A. Leber¹, G. Brüderl¹, A. Lell¹, V. Härle¹, N. Gmeinwieser², U. Schwarz², K. Engl² und F. Habel^3
2Universität Regensburg, Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, 93040 Regensburg
³Universität Ulm, Abteilung Optoelektronik, 89081 Ulm
¹OSRAM Opto Semiconductors GmbH, Wernerwerkstr. 2, 93049 Regensburg

Für die Lebensdauer GaN-basierender Halbleiterlaserdioden sind Kristallqualität und Defektdichte der GaN-Schichten von entscheidender Bedeutung. Bei der herkömmlichen Heteroepitaxie von GaN auf SiC-Substraten werden typische Defektdichten im Bereich von 10 ⁹ cm^-2 erzeugt. Mit Hilfe von ELOG-Technologien (Epitaxial Lateral OverGrowth) ist es möglich, GaN-Schichten mit Defektdichten unterhalb 10⁸ cm^-2 herzustellen.
Vorgestellt werden Untersuchungen an ELOG-GaN-Strukturen, die mittels MOVPE auf SiC-Substraten abgeschieden wurden. Die Morphologie der Schichten wurde mittels REM charakterisiert.TEM- und AFM- Aufnahmen zeigen Verlauf und Dichte der Defekte. Ortsaufgelöste Tieftemperatur-PL-Messungen geben Aufschluss über Verspannung und Qualität der GaN-Schichten im Fenster und Wing-Bereich der ELOG-Strukturen.

Lokalisierungseigenschaften und optische Verstärkung in kubischen InGaN/GaN Heterostrukturen

•Christoph Hums¹, Matthias Dworzak¹, Martin Strassburg¹, Axel Hoffmann¹, Shunfeng Li², Alexander Khartchenko², Donat J. As² und Klaus Lischka^2
1Institut für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin, Hardenbergstr. 36, 10623 Berlin
²Universität Paderborn, Fachbereich 6 Physik, Warburger Str. 100, 33098 Paderborn

Die im Vergleich zum hexagonalen GaN um 200 meV geringere Bandlückenenergie der kubischen Phase ermöglicht die Realisierung blau-grün emittierender Laserstrukturen. Für die gewünschte langwellige Verschiebung der Emissionsenergie ist hierbei ein geringerer In-Gehalt erforderlich. Zudem ist der Einfluss interner elektrischer Felder und somit die örtliche Separation von Elektronen und Löchern stark reduziert. Das erhöht die Lumineszenzeffizienz. Mittels temperaturabhängiger Photolumineszenzspektroskopie werden die Lokalisierungseigenschaften in der aktiven Zone kubischer InGaN/GaN/GaAs Laserstrukturen anhand des charakteristischen Verhaltens von Peakenergie und Halbwertsbreite der Emission unterschieden sowie die Aktivierungsenergie der Lokalisierungszentren ermittelt. Untersuchungen bei höheren Anregungsdichten geben Aufschluss, welche Gewinnmechanismen auftreten und welchen Einfluss die Lokalisierungseigenschaften auf die Lasing- Schwellwertdichte besitzen. Schließlich führt der geringere In-Gehalt zu einer homogeneren In- Verteilung in der aktiven Zone, was durch die unterdrückte Blauverschiebung der Emissionsenergie mit zunehmender Anregungsdichte belegt wird.

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Zuletzt geändert am 08.04.2003

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