Optical characterization of InGaAsN / GaAs quantum wells: Effects of annealing and determination of the band offsets

In den letzten Jahrzehnten wurden „Dilute Nitrides“ wegen ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften und ihres großen Anwendungsbereiches von vielen experimentellen und theoretischen Gruppen untersucht. In dieser Doktorarbeit werden einige offene Fragen zu den fundamentalen Eigenschaften dieser Materialien beantwortet. Zwei wichtige Themen werden behandelt: Zum einen die Korrelation zwischen den optischen und morphologischen Eigenschaften von InGaAsN/GaAs Einzelquantentopfproben und zum anderen eine quantitative, modell-unabhängige Bestimmung der Band-Offsets für die gleichen Strukturen. Photolumineszenzmessungen (PL) und Transmissionselektronenmikroskopieanalyse (TEM) zeigen in Kapitel 3, dass es eine direkte Korrelation zwischen der Lokalisierung von Ladungsträgern und struktureller Inhomogenität des Quantentopfes gibt.. Der Lokalisierungsgrad steigt dabei mit zunehmender struktureller Inhomogenität der Quantentopfschicht. Es wurden InGaAsN/GaAs Quantentöpfe untersucht, die bei verschiedenen Temperaturen TW gewachsen wurden und/oder sich im Indiumgehalt [In] unterscheiden. Beide Parameter beeinflussen stark die Morphologie des Quantentopfes. Wenn TW oder [In] steigen, nimmt die Inhomogenität des Quantentopfes zu. Die Wachstumstemperatur beeinflußt auch die optischen Eigenschaften von InGaAsN Quantentöpfen. Mit zunehmender TW verschlechtert sich die PL Intensität, und es kommt zu einer Rotverschiebung der Emissionsenergie. Von der In-Konzentration hängt die PL Intensität dagegen kaum ab. Nur die Proben mit hohem Indiumgehalt ([In] > 34%) bilden eine Ausnahme. Aufgrund von Versetzungen und / oder anderen nichtstrahlenden Rekombinationszentren nimmt die PL Intensität drastisch ab. Tempern modifiziert sowohl die morphologischen als auch die optischen Eigenschaften der Quantentöpfe. Hierzu wurden bei der Untersuchung von Proben, die bei Temperaturen zwischen 360 °C und 480 °C gewachsen und in verschiedenen Atmosphären getempert wurden, zwei wichtige Ergebnisse erzielt. Zum einen wurde festegestellt, dass die Morphologie und die PL Effizienz nicht direkt zusammenhängen, und zum anderen, dass die PL Effizienz des Quantentopfes von der Dichte nichtstrahlender Zentren abhängt. Hierbei spielt die Atmosphäre, in der das Tempern durchgeführt wird, eine zentrale Rolle. Diese Untersuchung des Einflusses der Temperatmosphäre ist eine Neuheit in der Literatur. Das erste Ergebnis wurde durch den Vergleich von PL Messungen an Proben erreicht, die entweder in Wasserstoff, in Argon oder gar nicht getempertet worden waren. Hierbei zeigte sich, dass die PL Intensität der H2 – getemperten Proben für tiefe Wachstumstemperaturen (400 °C) am höchsten und für hohe Wachstumstemperaturen (450 °C) am niedrigsten ist, während die PL Intensität der Ar – getemperten Proben für hohe TW (450 °C) am höchsten und für tiefe TW (400 °C) am niedrigsten ist. Der Lokalisierungsgrad und die TEM-Bilder sind jedoch für gleiche TW gleich und damit unabhängig von der Temperatmosphäre. Das zweite Ergebnis wurde durch zeitaufgelöste Photolumineszenzmessungen an derselben Probenserie erzielt. Es zeigte sich hierbei, dass die strahlende Zerfallzeit für beide Temperatmosphären mit der Wachstumstemperatur zunimmt, also auf die gleiche Art und Weise variiert. Die nichtstrahlende Zerfallzeit dagegen ändert sich mit der Wachstumstemperatur für die beiden Temperatmosphären auf unterschiedliche Art und Weise. Für die H2 - getemperten Proben nimmt die nichtstrahlende Zerfallzeit mit zunehmender Wachstumstemperatur ab, während sie für die Ar – getemperten Proben steigt. Dieses Verhalten ist in beiden Fällen analog zu der Wachstumstemperaturabhängigkeit der PL Intensität. Ferner zeigten leistungsabhängige PL Messungen, dass Änderungen in der Lokalisierung, die nach dem Tempern beobachtet werden, nur durch morphologische Modifizierungen verursacht werden und nicht durch eine Abnahme in der Dichte nichtstrahlender Rekombinationszentren. Der Vergleich von PL Messungen an GaAsN/GaAs, InGaAs/GaAs und InGaAsN/GaAs Einzelquantentopf-Proben ergab, dass mindestens zwei verschiedene Defekte während des Wachstums der InGaAsN/GaAs Einzelquantentöpfe auftreten. Der eine Defekt wird durch den Einbau von Stickstoff verursacht. Die Anzahldichte dieses Defektes nimmt mit steigender Wachstumstemperatur zu und wird durch Tempern reduziert. Die Defekte der anderen Art entstehen, wenn sowohl Indium als auch Stickstoff vorhanden sind. Diese Defekte bilden sich vor allem bei tiefer Wachstumstemperatur aus und neigen beim Tempern zu Agglomeration. Das Verhalten beider Defekte wird in einem spekulativen Modell zusammengefaßt, mit dem die Ergebnisse dieses Kapitel erklärt werden können. In Kapitel 4 wird ein wichtiges und viel diskutiertes Thema behandelt: Die Veränderung der Band-Offsets von InGaAsN/ GaAs Heterostrukturen mit variierenden Quantentopf-Parametern. Zu Beginn dieses Kapitels wird das Verständnis einer experimentellen Methode verbessert und erweitert, die bei Infineon Technologies entwickelt wurde. Diese Methode basiert auf Messungen der Oberflächenfotospannung (surface photovoltage, SPV). Mit dieser Methode ist es möglich, optische Übergänge zwischen verschiedenen gebundenen und ungebundenen Zuständen in einer Quantentopfprobe zu beobachten. Eine Besonderheit ist dabei, dass zusätzlich zu den Übergängen zwischen gebundenen Zuständen des Quantentopfes der Übergang vom ungebundenen Zustand des Valenzbandes in den gebundenen Grundzustand des Leitungsbandes gemessen werden kann. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung der Praktischen Band-Offsets des Quantentopfes. Dieser in dieser Arbeit eingeführte Begriff repräsentiert die Band-Offsets des Leitungs- (Valenz-) bandes der Heterostrukturen abzüglich der Quantisierungsenergie des Grundzustandes für gebundene Elektronen (Löcher). Für die Entwicklung von Bauelementen sind die Praktischen Band-Offsets von fundamentaler Bedeutung, da sie den tatsächlichen elektronischen Einschluß der Ladungsträger im Quantentopf angeben. SPV-Messungen wurden an mehreren speziell hierfür gewachsenen Probenserien durchgeführt. Diese Ergebnisse werden mit Resultaten verglichen, die mit konventionellen experimentellen optischen Methoden und theoretischen Simulationen erzielt wurden. Es wird gezeigt, dass mit einer einzelnen SPV-Messung umfangreiche Informationen über einen Einzelquantentopf gewonnen werden, die sonst nur durch die Kombination mehrerer experimenteller Methoden und theoretischer Berechnungen erreicht werden könnten. Mit der SPV-Methode können Übergänge in die Grundzustände sowohl der schweren als auch der leichten Löcher des Quantentopfes beobachtet werden. Ferner können auch angeregte Zustände identifiziert werden. Als Bedingung wurde festgestellt, dass nur Übergänge zwischen gebundenen Zuständen gleicher Parität eine Stufe in den Spektren erzeugen können. Diese Methode wurde eingesetzt, um die Bandzustände von Quantentöpfen aus „Dilute Nitrides“ zu untersuchen. Insbesondere wurde analysiert, wie sich eine Änderung des Stickstoff- und des Indium-Gehaltes auf die Praktischen Band-Offsets von InxGa1-xAs1-yNy / GaAs Einzelquantentopfproben auswirkt. Als Hauptergebnis wird gezeigte, dass mit steigendem Stickstoffgehalt der Leitungsband-Offset stark zunimmt (mit einer Rate von ca. 100 meV/ 1% [N]), während der Valenzband-Offset unverändert bleibt. Ferner werden mit Zunahme des Indiumgehalts sowohl der Leitungsband-Offset als auch der Valenzband-Offset modifiziert. Insbesondere hängt der Leitungsband-Offset vom Indiumgehalt so ab, wie dies auch für analoge stickstofffreie Proben der Fall ist. Diese Ergebnisse sind die erste quantitative Analyse, welche direkt bzw. unabhängig von jeglichem Modell die Band-Offsets in „Dilute Nitrides“ Quantentöpfen bestimmt. Dabei wurde auch der separate Einfluß von Stickstoff und Indium auf die Leitungsband- und Valenzband-Zustände untersucht. Die Praktischen Band-Offsets sind sehr wichtige Parameter für die Entwicklung vieler Bauelemente. Dazu wird am Ende dieser Doktorarbeit gezeigt, wie die SPV - Methode angewendet wird, um die Praktischen Band-Offsets eines realen Bauelementes zu bestimmen. Insbesondere werden die Praktischen Leitungsband- und Valenzband-Offsets von Lasern bestimmt, die eine Emission von 1.3 µm bzw. 1.5 µm haben.