Herstellung von (GaIn)(NAsP)/GaP Mischkristallsystemen und deren Charakterisierung zur Realisierung eines direkten Halbleiters

Die Realisierung von optoelektronisch integrierten Schaltungen auf Silizium-Substrat würde ein komplett neues Feld der Fabrikationstechnologie eröffnen. Motiviert durch die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten wurde in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, ein Materialsystem mittels MOVPE (metal organi...

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Main Author: Kunert, Bernardette
Contributors: Stolz, Wolfgang (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2005
Physik
Subjects:
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Description
Summary:Die Realisierung von optoelektronisch integrierten Schaltungen auf Silizium-Substrat würde ein komplett neues Feld der Fabrikationstechnologie eröffnen. Motiviert durch die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten wurde in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, ein Materialsystem mittels MOVPE (metal organic vapour phase epitaxy) zu entwickeln, welches pseudomorph auf Si-Substrat abgeschieden werden kann, eine hohe Lumineszenzeffizienz und Materialverstärkung besitzt. Da der III-V Halbleiter GaP und Si, die beide eine indirekte Bandstruktur aufweisen, eine ähnliche Gitterkonstante besitzen und zugleich GaP gitterangepaßt auf Si-Substrat abgeschieden werden kann, war die herausfordernde Fragestellung, ob eine Komposition des Mischkristall (GaIn)(NAsP) existiert, in der die Bandstrukturmodifikation aufgrund der Zusammensetzung einen direkten Halbleiter ergibt und zeitgleich der Mischkristall ohne jegliche Ausbildung von Versetzungen auf GaP-Substrat abscheidbar ist. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den folgenden Punkten: 1. Konzeption des neuartigen (GaIn)(NAsP) Materialsystems 2. Epitaktische Herstellung mittels der metallorganischen Gasphasenepitaxie 3. Strukturelle Charakterisierung (Röntgenbeugung, Rasterkraftmikroskopie) 4. Spektroskopische Charakterisierung (Photolumineszenz- und Photolumineszenzanregungsspektroskopie, Transmissionsmessung). Die Arbeit ist wie folgt gegliedert: Nach der Einleitung werden im zweiten Kapitel einige physikalische Grundlagen erörtert. Der Schwerpunkt liegt in der Vorstellung grundlegender Methoden zur Berechnung von Bandstrukturen, da die experimentellen Ergebnisse immer bezüglich einer möglichen Bandstrukturmodifikation interpretiert werden. In einem separaten Abschnitt wird die Klasse der verdünnt N-haltigen Materialsysteme vorgestellt. Das dritte Kapitel umfaßt die Beschreibung der eingesetzten Verfahren und Methoden zur Herstellung und Untersuchung der Halbleiterproben. Das Ergebniskapitel ist nach den unterschiedlichen Materialklassen gegliedert, welche im Rahmen dieser Arbeit entstanden sind: (GaIn)(NP), (GaIn)(NAsP) und Ga(NAsP). In einem weiteren Abschnitt werden erste Bauelemente und Verstärkungsmessungen vorgestellt. Das letzte Kapitel enthält eine Zusammenfassung und einen Ausblick. Die epitaktische Herstellung der unterschiedlichen N-haltigen Materialsysteme auf GaP-Substrate zeigt viele Parallelen zu dem GaAs basierenden Materialsystem (Ga(In))(NAs). Die spektroskopischen Untersuchungen von (GaIn)(NP)-MQWs unterschiedlicher Zusammensetzung ergaben, daß durch den Einbau von In die Lumineszenzeffizienz nicht wesentlich verbessert werden konnte. Die optische Charakterisierung der pentanären Proben (GaIn)(NAsP) hingegen zeigte, daß durch den Einbau von As und die Reduzierung der In-Konzentration die Lumineszenzeigenschaften deutlich verbessert werden konnten. Die Zustandsdichte im Leitungsband steigt deutlich an und die Kopplung im Rahmen des Band-Anticrossing-Modells nimmt zu. Der Signalverlauf im Tieftemperatur-PLE-Spektrum des In-freien Mischkristalls Ga(N0.04As0.8P0.16) offenbart schließlich einen abrupten Anstieg in der Zustandsdichte, wie er typisch ist für einen direkten Halbleiter. Damit wurde erstmals ein Mischkristall pseudomorph auf GaP-Substrat abgeschieden, der eine direkte Bandstruktur besitzt. Die methodische Variation des N- und P-Gehaltes in verschiedenen Probenreihen zeigte, daß die besten PL-Charakteristiken für den Kompositionsbereich von 4%±1% N und 0-10% P erzielt wurden. Erstmalig wurde eine Raumtemperatur-PL detektiert und die PL-Linienbreite auf unter 60meV optimiert. Damit sind die optischen Eigenschaften dieses neuartigen Materialsystems vergleichbar mit denen von verdünnt N-haltigen Mischkristallen auf der Basis von GaAs. Um die Anwendungsmöglichkeiten für Bauelemente zu untersuchen, wurden erste Breitstreifenlaserstrukturen mittels MOVPE abgeschieden. Verstärkungsmessungen mittels der Stichlängen-Methode demonstrieren einen deutlichen modalen Gewinn bei Raumtemperatur. Mittels optischer Anregung (bis zu 300K) und elektrischer Injektion bei 80K konnte ein deutliches Schwellenverhalten der Emissionsintensität abhängig von der Anregungsdichte sowie ein ausgeprägtes Modenspektrum oberhalb der Schwelle beobachtet werden. Damit besitzen die Laserbarren die charakteristischen Merkmale für eine Laseraktivität sowohl bei tiefen Temperaturen als auch bei Raumtemperatur. Das Ergebnis dieser Arbeit zeigt, daß es gelungen ist, durch die sukzessive Optimierung der Zusammensetzung, anhand der strukturellen und optischen Untersuchungsergebnisse in Kombination mit theoretischen Vorhersagen der Bandstrukturmodifikation, ein Materialsystem zu entwickeln, welches pseudomorph auf GaP-Substrat abgeschieden werden kann und eine direkte Bandlücke besitzt.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2006.0067