Optische Spektroskopie an ultraviolett-emittierenden GaN / AlGaN-Heterostrukturen

Diplomarbeit von Marco Greve

Einleitung:

Die binären Halbleitermaterialien Aluminiumnitrid (AlN), Galliumnitrid (GaN) und Indiumnitrid (InN) bilden die Basis des Materialsystems der Gruppe III-Nitride, das ein großes Anwendungspotential insbesondere im Bereich optoelektronischer Bauelemente besitzt. Durch Legierungsbildung der binären Ausgangskomponenten lassen sich direkte Bandlücken im ausgedehnten Bereich von etwa 0.8 bis 6.1 eV bei Raumtemperatur realisieren. Dies macht die Gruppe III-Nitride zu einem vielversprechenden Kandidaten, der, im Gegensatz zu den konventionellen III-V-Halbleitern wie beispielsweise Galliumarsenid (GaAs), auch den kurzwelligen sichtbaren und den ultravioletten (UV) Spektralbereich abdeckt.

Obwohl Juza und Hahn bereits 1938 erstmals die Synthese von GaN gelang, wurde die Forschung auf diesem Gebiet lange Zeit aufgrund der schlechten Probenqualität erschwert. Erst durch Anwendung der Gasphasenepitaxie mit anfänglicher Abscheidung einer Nukleationsschicht gelang in den 1980er Jahren die Herstellung qualitativ höherwertiger Schichten. In den 1990er Jahren folgte dann eine rasante Entwicklung GaN-basierter elektronischer Bauelemente.

Bei den schon erwähnten optoelektronischen Bauelementen wurden sowohl Leuchtdioden (LEDs) als auch Laserdioden realisiert. Der Einsatz von blau- statt rot-emittierenden LDs z.B. für das Auslesen optischer Speichermedien wie DVDs verspricht eine deutliche Steigerung der Speicherdichte infolge der besseren Fokussierbarkeit des kurzwelligeren Lichtes.

Neben dem Einsatz in Lichtemittern ist das Materialsystem auch für die Herstellung von UV-Detektoren interessant. Eine unerwünschte Empfindlichkeit für sichtbares Licht kann hier aufgrund der realisierbaren hohen Bandlückenenergie ausgeschlossen werden, weshalb man auch von „solar-blind detectors“ spricht.

Eine große Bandlückenenergie verhindert neben ungewollter optischer auch thermische Generation von Überschussladungsträgern, was die Gruppe III-Nitride für Anwendungen im Bereich von Hochleistungs- und Hochtemperaturbauelementen prädestiniert.

Trotz der bemerkenswerten Erfolge bei der Herstellung GaN-basierter Bauelemente und der Vielzahl von Untersuchungen, die an diesem Materialsystem durchgeführt wurden, sind bei weitem noch nicht alle involvierten Mechanismen und fundamentalen physikalischen Eigenschaften der Gruppe III-Nitride verstanden. Da bei den meisten Anwendungen die ternären Verbindungen eine wichtige Rolle spielen, ist ein grundlegendes Verständnis ihrer strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften essentiell, um Bauelemente mit verbesserten Eigenschaften zu realisieren.

Diese Arbeit beschränkt sich dabei auf die Untersuchung des Mischungshalbleiters AlxGa1-xN, wobei der Grenzfall x = 0, also reines Galliumnitrid, eingeschlossen ist. AlGaN findet insbesondere als Barrierenmaterial in Quantenfilmstrukturen Anwendung, bei denen die aktive Schicht beispielsweise aus GaN besteht. Ziel dieser Arbeit war zunächst die Charakterisierung von Volumenmaterial. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse sollten dann als Basis für die außerdem durchgeführten Untersuchungen an GaN/AlGaN-Quantenfilmstrukturen dienen. Die eingesetzten optischen Untersuchungsmethoden - temperaturaufgelöste Photolumineszenz (PL) und spektroskopische Ellipsometrie - bieten die Möglichkeit einer zerstörungsfreien Probencharakterisierung, die insbesondere Informationen über die Bandstruktur des Halbleiters liefert. Die Ellipsometrie erlaubt zusätzlich die Ermittlung von Schichtdicken.

Die vorliegende Arbeit ist in vier Kapitel gegliedert. Das erste befasst sich mit den relevanten theoretischen Grundlagen, während das zweite die angewandten Untersuchungsmethoden sowohl prinzipiell als auch in ihrer konkreten experimentellen Realisierung erläutert. Die Ergebnisse der Messungen an GaN- und AlGaN-Volumenschichten sind Gegenstand von Kapitel 3. Der untersuchte Satz von Proben unterschiedlichen Aluminiumgehaltes lässt es dabei zu, interessante Größen wie die PL-Linienbreite oder die Lokalisierungsenergie von Exzitonen kompositionsabhängig zu betrachten. Die Arbeit schließt mit der Vorstellung der Resultate aus den Messungen an GaN/AlGaN-Quantenfilmstrukturen. Deren Lumineszenzeigenschaften werden im Hinblick auf die Quantenfilmdicke sowie auf die Wachstumsparameter bei der Herstellung der Strukturen untersucht.

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