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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79395
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7939/


Knübel, Andreas

Ladungsträgerprofile In-reicher (In, Ga)N-Schichten und Heterostrukturen

Doping profiles of (In, Ga)N layers and heterostructures with high In content

Dokument1.pdf (72.870 KB) (md5sum: 03b64a07f7822e3b18957cfc51666694)

Kurzfassung in Deutsch

Die vorliegende Arbeit beschreibt das Wachstum der Materialsysteme InN und InGaN verschiedenster Zusammensetzungen mittels Molekularstrahlepitaxie und deren Charakterisierung hinsichtlich ihrer strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften. Die Schwerpunkte lagen hierbei in der Optimierung dicker In-polarer InN-Schichten bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften, der Dotierung dicker InN-Schichten mit Kohlenstoff zwecks gezielter Einstellung der Volumen-Ladungsträgerdichte, der Untersuchung des temperaturabhängigen In-Einbaus in InGaN und der Vorstellung zweier Ansätze für die Integration von InN in Heterostrukturen für Transistoranwendungen.

Durch das Wachstum einer Serie In-polarer InN-Schichten auf (0001) GaN/Saphir-Templates wurde der Einfluss von In/N-Verhältnis und Substrattemperatur auf die Volumen-Ladungsträgerdichte und die Elektronenbeweglichkeit untersucht. Hierbei konnte ein deutlicher Einfluss der Substrattemperatur und der Stufen-Versetzungsdichte auf die elektrischen und optischen Eigenschaften des Materials festgestellt werden. Optimierte Wachstumsbedingungen bei 475 °C ergaben Elektronenbeweglichkeiten von maximal 1910 cm2(Vs)-1 bei minimalen Volumen-Ladungsträgerkonzentrationen von 5×1017 cm−3. Tieftemperatur-PL-Messungen an der Serie zeigten ebenfalls einen starken Einfluss der Stufenversetzungsdichte auf die Peak-Intensität. Die Volumen-Ladungsträgerkonzentrationen sind jedoch noch zu hoch, um für einen Einsatz in einem InGaN/InN-HEMT Anwendung zu finden.

Die Dotierung von InN mit Kohlenstoff zum Zweck einer Ladungsträgerkompensation wurde anhand einer Wachstumsserie aus InN:C-Schichten untersucht. Die elektrische Charakterisierung mit variable Temperatur Hall-Effekt- und ECV-Messungen ergab einen Anstieg der Volumen-Elektronenkonzentration. Bestätigt wurde der Donator-Charakter von Kohlenstoff in InN durch XPS- und PL- und Ellipsometrie-Messungen. Die relative Energie-Verschiebung der In3d-, In4d- und N1s-Core-Elektronen-Niveaus bezüglich des Fermi-Niveaus zeigt eine Verschiebung des Fermi-Niveaus im Leitungsband nach oben, was den Anstieg der Elektronenkonzentration erklärt. Ebenso konnte die zunehmende Blauverschiebung der PL bei Erhöhung des Kohlenstoff-Angebots durch eine Auffüllung des Leitungsbandes mit Elektronen erklärt werden, ein Effekt, der als Burstein-Moss-Verschiebung bekannt ist. Die genaue Lage des Kohlenstoff-Niveaus und der eingenommene Gitterplatz konnte jedoch nicht eindeutig geklärt werden.

In weiteren Wachstumsserien wurde der In-Einbau in dicken InGaN-Schichten verschiedenster Zusammensetzungen studiert. Mit Hilfe von HRXRD-, PL- und Schichtwiderstandsmessungen konnte ein vollständiges Wachstumsdiagramm für mit MBE gewachsener InxGa(1-x)N-Schichten erstellt werden, welches sich in einen Bereich annähernd phasenreiner Zusammensetzungen und einen Bereich mit Phasenseparation und In-Verlust unterteilt. Innerhalb des phasenreinen Bereichs konnte eine Verbesserung der Materialqualität mit zunehmender Wachstumstemperatur festgestellt werden. Als Gründe für diese Temperaturabhängigkeit werden eine Reduzierung der Schrauben-Versetzungsdichten und Verunreinigungen im Material angesehen. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass die Schichten unterhalb von x=0,3 semi-isolierend werden und somit für Anwendungen als Puffer- und Barriere-Materialien für Transistorstrukturen interessant sind. Die Dotierprofile nahe der Oberfläche In-reicher InGaN-Schichten konnten mit Elektrolyt-basierten Kapazitäts-Spannungs-Messungen und dem Vergleich mit selbstkonsistenten Lösungen der Schrödinger-Gleichung in Kombination mit der Poisson-Gleichung untersucht werden. Der Vergleich zeigte einen Übergang von einer Aufwärts- zu einer Abwärts-Bandverbiegung bei einem In-Gehalt von etwa x=0,4 gezeigt werden, was in guter Übereinstimmung mit den Literaturwerten ist.

Als Alternative zu einem InN-HEMT wurden zwei Konzepte für eine Transistorstruktur vorgestellt, wobei unterschiedliche Barrieren-Materialien auf dünnen InN-Schichten erprobt wurden. Bei In0,3Ga0,7N als Barriere zeigte sich eine unzureichende elektrische Isolierung, die durch die maximale Wachstumstemperatur von 475 °C durch die unterliegende InN-Schicht begrenzt war. Durch die unzureichende elektrische Isolierung der InGaN-Barriere war eine Beeinflussung der Ladungsträgerkonzentration durch Anlegen einer Spannung nicht möglich. Die Begrenzung der Wachstumstemperatur von InGaN-Schichten als Barriere ist neben der hohen Hintergrunddotierung von bulk InN ebenfalls ein Grund dafür, dass eine InGaN/InN-HEMT-Struktur nicht realisierbar ist. Durch ergänzende XPS-Messungen an HfO2/InN/In0,3Ga0,7N MISFET-Strukturen wurden die Bandübergänge an den HfO2/InN- bzw. InN/In0,3Ga0,7N-Grenzflächen bestimmt. Die relative Lage der InN-Bandlücke zu beiden Materialien lässt vermuten, dass diese als Barrieren-Materialien insbesondere für Löcher ungeeignet sind, da die Valenzbandkanten-Abstände zu klein sind.


Kurzfassung in Englisch

In this work the growth of the material systems InN and InGaN with molecular beam epitaxy are studied regarding their structural, electrical and optical characteristics. The focus fell on the optimization of thick In-polar InN layers concerning their electrical characteristics, as well as the doping of thick InN layers with carbon in order to control the volume charge carrier density, the investigation of the temperature-dependent In incorporation in InGaN and the introduction of two concepts for the integration of InN in heterostructures for transistor applications.

In order to determine the influence of the growth parameters In-to-N ratio and substrate temperature on the volume charge carrier density and the electron mobility, a series of In-polar InN layers on (0001) GaN/sapphire templates has been grown. A significant effect of both the substrate temperature and the edge dislocation density on the electrical and optical characteristics of the material was found. Under optimized growth conditions, a maximum room temperature electron mobility of 1910 cm2(Vs)-1 at a volume charge carrier concentration of 5×1017 cm−3 was obtained. Low temperature PL measurements of the series also showed a strong influence of the edge dislocation density on the peak intensity. However, the volume charge carrier concentrations are still too high for the usage in a InGaN/InN HEMT application.

For this reason, the doping of InN with carbon for the purpose of charge carrier compensation was done on basis of a growth series of InN:C layers. The electrical characterization of the sample series with variable temperature Hall effect and ECV measurements resulted in a rise of the volume electron concentration. The donor character of carbon in InN was confirmed by XPS, PL and spectroscopic ellipsometrie measurements. The relative energy shift of the In3d, In4d and N1s core electron levels with respect to the Fermi level shows an upward shift of the Fermi level in the conduction band, which explains the rise of the electron concentration. Likewise, the increasing blue shift of the PL when increasing the carbon offer can be explained by a filling of the conduction band with electrons, which is known as the Burstein-Moss effect. However, the exact level of the carbon donator and the lattice site could not be clarified.

In another growth series the In incorporation in thick InGaN layers with different compositions was studied. By means of HRXRD, PL and sheet resistance measurements a complete growth diagram for MBE-grown InGaN layers could be developed, which is divided into an approximately single phase composition region and a region with intense phase separation and In loss. Within the single phase range an improvement of the material quality with increasing growth temperature could be determined. This is shown by a decrease of the PL FWHM, an increase of the PL peak intensity, a decrease of the FWHM of symmetrical ω-Scans and an increase of the sheet resistance. Reasons for this temperature dependence might be a reduction of the screw dislocation densities and impurity incorporation in the material during growth. In addition, it was shown that the InxGa(1-x)N layers become semi-isolating at In contents below x=0.3, thus an interesting result regarding applications as buffer and barrier materials for transistor structures. Doping profiles close to the surface of In-rich InGaN layers obtained from ECV measurements could be examined. The comparison with self-consistent solutions of the Schroedinger-Poisson equation showed a transition from an upward to a downward band bending at x=0.4 could be shown, which is in good agreement with literature values.

Alternative to an InN HEMT with a thick InN buffer layer, two concepts for a transistor structure were presented, in which different barrier materials on thin InN layers were tested. For these transistor concepts the growth of thin InN layers was developed on In0.3Ga0.7N buffer layers and optimized on homogeneity. However, it turned out that In0.3Ga0.7N as barrier material showed insufficient electric insulation due to a limitation of the maximum growth temperature of 475 °C by the underlying InN layer. Therefore a manipulation of the charge carrier concentration by applying voltage was not possible. Besides the high background doping of bulk InN the limitation of the substrate temperature during growth of InGaN layers as barrier is also a reason for the fact that an InGaN/InN HEMT structure is not feasible. By additional XPS measurements of HfO2/InN/In0.3Ga0.7N MISFET structures the band alignments of HfO2/InN and InN/In0.3Ga0.7N interfaces were determined. The position of the InN gap relative to the band gaps of both materials makes them unsuitable as barrier materials in particular for holes, since the valence band edge distances are too small.


SWD-Schlagwörter: Molekularstrahlepitaxie , Borgruppennitride , Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie , Dotierung
Freie Schlagwörter (deutsch): Heteroepitaxie , Heterostrukturen , Gruppe-III-Nitride , InN , InGaN
Freie Schlagwörter (englisch): heteroepitaxy , heterojunctions , Group III-nitrides , InN , InGaN
PACS Klassifikation 61.72.uf , 81.15.Hi , 73.40.-c , 61.72.uj
Institut: Physikalisches Institut
Fakultät: Fakultät für Mathematik und Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Wagner, Joachim (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.01.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 27.01.2011
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