Stickstoffinduzierte Bandbildung in den metastabilen Halbleitersystemen Ga(N,As) und (Ga,In)(N,As)

In der vorliegenden Arbeit wurden grundlegende physikalische Eigenschaften der metastabilen Halbleitersysteme Ga(N,As) und (Ga,In)(N,As) vorgestellt. Es werden die großen Veränderungen der optischen Eigenschaften durch den Einbau von Stickstoff beschrieben. Durch den großen Unterschied in Elektroneg...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Grüning, Heiko
Beteiligte: Heimbrodt, Wolfram (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2004
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:In der vorliegenden Arbeit wurden grundlegende physikalische Eigenschaften der metastabilen Halbleitersysteme Ga(N,As) und (Ga,In)(N,As) vorgestellt. Es werden die großen Veränderungen der optischen Eigenschaften durch den Einbau von Stickstoff beschrieben. Durch den großen Unterschied in Elektronegativität und Größe wirkt der Einbau des Stickstoffatoms an der Stelle des Arsenatoms als große Störung in diesem Materialsystem. In einkristallinen Ga(N,As) Schichten existieren stickstoffartige, lokalisierte Zustände bis zu einer Stickstoffkonzentration von fast xN=1%, wobei die stickstoffinduzierte Rotverschiebung der Bandlücke des GaNxAs1-x Mischkristalls bei sehr kleinen Konzentrationen einsetzt. Schon für xN=0.043% ist eine deutliche Rotverschiebung der Bandlücke zu beobachten. Ein neues stickstoffinduziertes Band wurde für xN=0.21% gefunden, welches mit Erhöhung von xN zu höheren Energien verschiebt. Die Rotverschiebung der Bandlücke und die Blauverschiebung des neuen stickstoffinduzierten Bandes kann qualitativ durch eine Bandabstoßung zwischen der ungestörten Bandkante des stickstofffreien Materials und dem lokalisierten isoelektronischen Störstellenzustand, welcher etwa 200meV oberhalb der Leitungsbandkante liegt, beschrieben werden. Bei dem quaternären Halbleitermaterialsystem (Ga,In)(N,As) gibt es einen großen Zusammenhang zwischen der globalen Bandstruktur und der lokalen Umgebung der isoelektronischen Störstelle. Die Umgebung des N-Atoms kann z.B. durch nachträgliches Hydrogenieren verändert werden. Bei der Hydrogenierung geht das H-Atom fast ausschließlich Bindungen mit dem N-Atom ein, und es werden unterschiedliche N-Hn Komplexe gebildet. Die Bildung dieser N-Hn Komplexe kompensiert den Größenunterschied zwischen dem As- und dem N-Atom und sättigt die Elektronenbindungen des N-Atoms ab. Es wird also die große Störung des Kristallgitters durch den Einbau der isoelektronischen Störstelle verringert oder komplett aufgehoben. Die Folge daraus ist, dass die beobachtete elektronische Bandstruktur des vollständig hydrogenierten GaNxAs1-x gleich der von stickstofffreiem GaAs ist. Bei dem nachträglichen Ausheizen von Ga1-yInyNxAs1-x sind die Veränderungen der elektronischen Bandstruktur ähnlich. Bei kontrollierten Ausheizbedingungen ist es möglich, eine Umordnung der lokalen Stickstoffumgebung hervorzurufen. So kann das Stickstoffatom von einer galliumreicheren Umgebung, zu einer indiumreicheren Umgebung umgesetzt werden. Jede Konfiguration der nächsten-Nachbar-Umgebung des N-Atoms besitzt eine unterschiedliche Bandlückenenergie, was mittels Modulationsspektroskopie aufgelöst und somit nachgewiesen werden konnte. Unter der Annahme, dass eine theoretische Beschreibung der elektronischen Bandstruktur des quaternären Ga1-yInyNxAs1-x Materialsystems mit Hilfe von einem k·P Modell möglich ist, stehen im dritten Ergebnisteil der Arbeit die elektronischen Zustände von GaNxAs1-x/GaAs Quantenschichtstrukturen und deren theoretische Beschreibung im Mittelpunkt. Alleine mit dem einfachen Bandabstoßungsmodell kann eine große Anzahl von experimentell gefundenen Bandstrukturveränderungen durch den Einbau von Stickstoff beschrieben werden. Diese stickstoffinduzierten Veränderungen sind in den Quantenschichtstrukturen die Nicht-Parabolizität der Leitungsbanddispersion und die starke Abhängigkeit der effektiven Elektronenmasse von der Stickstoffkonzentration. Durch die Kombination mit dem Bandabstoßungsmodell wurde hier das für herkömmliche III-V Mischkristalle existierende 8-Band k·P Modell um zwei zusätzliche Spin-entartete, stickstoffartige Zustände erweitert. Es wurde durch den Vergleich der Ergebnisse dieses 10-Band k·P Modells mit experimentellen Daten für Interbandübergänge von verschiedenen GaNxAs1-x/GaAs Quantenschichtstrukturen ein Satz Materialparameter gewonnen. Dieser Parametersatz liefert in Verbindung mit dem k·P Modell eine gute Beschreibung der elektronischen Zustände von GaNxAs1-x /GaAs Quantenschichtstrukturen mit einer Stickstoffkonzentration 1% < xN < 4% und einer Quantenschichtbreite zwischen 2nm und 20nm. Das letzte Ergebniskapitel handelte von Ga0.77In0.23As/GaNxAs1-x und Ga0.70In0.30N0.005As0.995/GaNxAs1-x Quantenschichtstrukturen. Es wurde hier die stickstoffinduzierte Rotverschiebung gezielt genutzt, um das Leitungsband der Barriere unter das von der Quantenschicht zu schieben und so die Confinementsituation für die Elektronen entscheidend zu verändern. Es ist sogar möglich einen Bandanordnungswechsel von einer Typ I zu einer Typ II Banddiskontinuität hervorzurufen. So wurde für die Ga0.77In0.23As/GaNxAs1-x und die Ga0.70In0.30N0.005As0.995/GaNxAs1-x Quantenschichtstrukturserien ein Übergang von einer Typ I zu einer Typ II Banddiskontinuität bei einer Stickstoffkonzentration von xN=1% bzw. 3% gefunden. Eine genauere Beschreibung der gefundenen Quantenschichtübergänge mit Hilfe des 10-Band k·P Modells kann wertvolle Informationen über die Banddiskontinuitäten liefern.