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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-57744
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/5774/


Graf, Nikolaus Johannes Hubertus

Molekularstrahlepitaxie in den Mischsystemen Ga(Sb,Bi) und In(Sb,Bi)

Molecularbeam Epitaxy of Ga(Sb,Bi) and In(Sb,Bi)Alloys

Dokument1.pdf (2.948 KB) (md5sum: 241459d2213dedd28b42f81fde738903)

Kurzfassung in Deutsch

Das Einbauverhalten des Bi in das Zinkblendegitter eines GaSb- und InSb-Kristalls wurde durch eine Deposition dünner kristalliner Filme mittels der Molekularstrahlepitaxie mit Feststoffquellen (MBE) untersucht. Das Wachstum des Bi-haltigen GaSb-Materials erfolgte sowohl mittels der Heteroepitaxie auf nominell undotiertem GaAs(100)-Substrat als auch mittels der Homoepitaxie auf einem GaSb(100)-Wafer. Die Bi-haltigen InSb-Schichten wurden heteroepitaktisch auf einem undotierten GaAs(100)-Wafer abgeschieden. Es wurde eine Maximierung des Bi-Gehaltes zur Erzielung einer größtmöglichen Reduktion des Bandabstandes für eine hohe maximale Absorptionswellenlänge zum Einsatz in IR-Photodioden angestrebt. Gleichzeitig wurde ein einphasiges Wachstum als Ziel vorgegeben, das der alleinigen Ausbildung des Mischkristallzustandes entspricht. Die in-situ- Charakterisierung erfolgte über eine RHEED-Analyse, die in einer qualitativen Analyse der Intensität und Separationsschärfe der oberflächennahen Beugungsreflexe bestand. Dabei ergab sich bei 2-dimensionalem Wachstum durchweg eine 3 x 1-Rekonstruktion. Bei einer hohen Substrattemperatur von 500°C zeigte sich eine verschwindend geringe Einbaueffizienz des Bi in der GaSb-Strukturmatrix. Nennenswerter Bi-Einbau ergab sich erst bei einer Absenkung der Wachstumstemperatur durch einen ansteigenden Haftkoeffizienten. Bei einer optimalen Temperatur von 375°C konnte die höchste Löslichkeit von 3.0 % GaBi in GaSb erzielt werden. Im Falle des InSb-Materials konnte eine maximale Konzentration von 0.9 % InBi bei einer optimalen Temperatur von 200°C erreicht werden. Bei einer weiteren Temperaturreduktion zeigte sich in beiden Fällen wiederum eine rückläufige Löslichkeit, die auf einen zunehmenden parasitären Bi-Einbau in den metallreichen Inseldefekten zurückgeführt wurden. In derartigen Nukleationsinseln besitzen Bi-Atome im Gegensatz zum Mischkristall eine drastisch höhere Löslichkeit. Eine Erhöhung des Bi-Angebotes bewirkte zunächst einen linearen Anstieg des Bi-Gehaltes im Mischkristall, oberhalb der Löslichkeitsgrenze hingegen einen stagnierenden Verlauf bis hin zu einer geringfügigen Abnahme. Die Wachstumsrate wurde temperaturabhängig auf Werte zwischen 1 µm/h und 1/16 µm/h angepasst, wobei sich die obere Grenze auf eine hohe Temperatur von 400-500°C, die untere Grenze hingegen auf eine niedrige Temperatur von 250°C-325°C bezieht. Das langsame Wachstum bei tiefer Temperatur ergibt sich aus der Erfordernis einer ausreichenden Migrationslänge der Adatome für die Ausbildung möglichst großer einkristalliner Domänen sowie für eine Begünstigung der 2-dimensionalen Nukleation. Eine Anhebung des V/III- sowie des Sb4/Ga-Flußverhältnisses fördert zusammen mit einer hohen Temperatur das reguläre Stufenwachstum bei einem reduzierten Bi-Einbau in die kristalline Phase. Im Gegensatz dazu ist eine Maximierung des Bi-Gehaltes nur durch eine Reduktion des Sb4/Ga-Verhältnisses in Richtung metallreicher Wachstumsbedingungen möglich. Unterhalb eines minimalen Sb4/Ga-Angebotes von 2.0 kommt es hingegen zu einer extrem starken Zweiphasigkeit. Die Reduktion des Bandabstandes wurde über PL-Spektroskopie bei 77 K zu einem Wert von –57 meV / %Bi ermittelt. Bei 10 K ergeben sich nahezu identische Verschiebungskoeffizienten von –56 meV / %Bi für die Band-zu-Band- und Exzitonenrekombination sowie von –55 meV / %Bi für die Donator-Akzeptor-Rekombinationslinie. Weiterhin zeigt sich bei der optimalen Substrattemperatur von 375°C die niedrigste PL-Halbwertsbreite. Der exotische Charakter der Legierung GaSb1-xBix zeigt sich in der Anomalie der Gitterkontraktion mit einem Wert von -7 pm / %Bi und einer hypothetischen GaBi-Gitterkonstante von –1.22Angstr. Daher ist bei Extrapolation auf den gesamten Kompositionsbereich oberhalb der Löslichkeitsgrenze ein starkes negatives Bowing der Gitterkonstante zu erwarten.


Kurzfassung in Englisch

The incorporation behavior of Bi in the zincblende structure of GaSb crystals was investigated by deposition of thin layers by solid source molecular beam epitaxy (MBE) for the first time. Bi incorporation in InSb layers could also be performed. The Bi containing GaSb alloys were grown either by heteroepitaxy on an undoped GaAs (100) wafer or by homoepitaxy using an undoped GaSb (100) substrate. The Bi containing InSb layers were deposited on GaAs (100) substrates. In both cases the maximum of Bi solubility was examined in order to achieve the utmost in narrowing of the bandgap for application in long wavelength photodetectors. At the same time single phase material without the presence of a second phase was tried to achieve. In situ characterization was carried out by reflection high energy electron diffraction (RHEED), showing a 3 x 1 superstructure for all the Bi containing alloys while performing a 2D layer by layer growth. The content and distribution of Bi atoms in the GaSb and InSb lattice was investigated by secondary ion mass spectroscopy (SIMS) and rutherford backscattering spectrometry (RBS) measurements. At the high substrate temperature of 500 °C nearly no Bi was incorporated in the GaSb lattice. The higher Bi content at the lower temperature was attributed to an increasing sticking coefficient. At the optimum temperature of 375 °C the maximum Bi content of 3.0 % in GaSb could be achieved. In the case of Bi containing InSb material the substrate temperature was lowered to 200 °C for the maximum Bi concentration of 0.9 %. A further reduction of the temperature resulted in a lower incorporation probability of Bi atoms in the crystal lattice due to an enhancement of parasitic inclusion in the metal rich island defects on the surface. 2D step edge growth together with a nearly zero sticking coefficient could be obtained at high V/III ratios and temperatures. It turned out that Bi atoms could only be incorporated efficiently in the GaSb lattice at low V/III parameters by reducing the Sb4/Ga ratio to metal rich conditions. However, this resulted in a two phase mixture with metallic droplets on the surface. Single phase material could only be obtained to a Bi concentration as high as 1.0 %.


SWD-Schlagwörter: Halbleiter , Epitaxie , Infrarotdetektoren
Freie Schlagwörter (deutsch): Ga(Sb,Bi) , In(Sb,Bi)
Freie Schlagwörter (englisch): Ga(Sb,Bi) , In(Sb,Bi)
PACS Klassifikation 71.20.Nr
Institut: Freiburger Materialforschungszentrum
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Chemie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Fiederle, Michael, (PD Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.05.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 08.10.2008
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