Morphologie innerer Grenzflächen in verdünnt stickstoffhaltigen III/V-Materialsystemen

Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand darin, Strukturbildungsprozesse in verdünnt stickstoffhaltigen III/V-basierten Materialsystemen aufzuklären, wobei mit Hilfe von hochselektiven Ätzverfahren innere Grenzflächen freigelegt und rasterkraftmikroskopisch analysiert wurden. Aufgrund der metastabilen...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Oberhoff, Stefan
Beteiligte: Stolz, Wolfgang (Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2007
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Die Zielsetzung dieser Arbeit bestand darin, Strukturbildungsprozesse in verdünnt stickstoffhaltigen III/V-basierten Materialsystemen aufzuklären, wobei mit Hilfe von hochselektiven Ätzverfahren innere Grenzflächen freigelegt und rasterkraftmikroskopisch analysiert wurden. Aufgrund der metastabilen Natur der Systeme (GaIn)(NAs) und Ga(NAsP) gestaltet sich deren Strukturbildung sehr komplex und beeinflusst in großem Maße die Abscheidung von entsprechenden Bauelementen, z.B. Laser und Solarzellen, mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE). Im GaAs-basierten (GaIn)(NAs)-System diente ein bereits etabliertes Ätzverfahren dazu, den Einfluss von Sb auf die Strukturentwicklung zu untersuchen. (GaIn)(NAs)-Material zeichnet sich dadurch aus, dass eine strukturelle Degradation des Materials („struktureller Phasenübergang“) auftritt, sobald ein bestimmter kritischer N-Gehalt oder eine kritische Wachstumsunterbrechungszeit (WU) überschritten wird. Im ersten Teil dieser Arbeit konnte nun erstmals direkt nachgewiesen werden, dass die Zugabe von Sb während der Wachstumsunterbrechung den WU-induzierten strukturellen Phasenübergang unterdrückt und die Diffusivität auf GaAs- und (GaIn)(NAs)-Oberflächen erniedrigt. Die Dynamik des Strukturbildungsprozesses ist sowohl von der Wachstumstemperatur des Materials als auch vom Sb-Gehalt in der Gasphase abhängig. Hierbei treten in erheblichem Maße Segregations- und Desorptionseffekte auf, was durch quantitative Untersuchungen mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) belegt werden konnte. Allerdings wird die Triebkraft des strukturellen Phasenübergangs durch den Einsatz von Sb während der WU nicht beeinflusst, weswegen im zweiten Teil der Arbeit elementare Untersuchungen über den Einbau von Sb in GaAs, Ga(NAs) und (GaIn)(NAs) erfolgten. Mittels einer Kombination aus hochauflösender Röntgenbeugung (HRXRD), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und SIMS-Messungen wurde nachgewiesen, dass durch die Zugabe von Sb der In-Gehalt des quaternären (GaIn)(NAs)-Materials ansteigt, bei gleichzeitiger Abnahme des N-Gehaltes. Der Anstieg des In-Gehaltes ist auf eine Sb-induzierte Reduktion des effektiven Ga-Partialdrucks in der Gasphase zurückzuführen und bewirkt eine erhöhte N-Desorption, allerdings konnte belegt werden, dass dieser Effekt alleine nicht ausreicht, um die drastische Reduktion des N-Gehaltes zu erklären, sondern eine zusätzliche Sb-induzierte N-Desorption auftritt, welche einem Langmuir-Mechanismus gehorcht. Nachdem diese Prozesse identifiziert worden sind, eröffnet sich erstmals die Möglichkeit, den Sb-Einbau in (GaIn)(NAs) unter Beibehaltung der ursprünglichen Zusammensetzung zu untersuchen, was dahingehend von Relevanz ist, dass der Einbau von Sb in der Molekularstrahlepitaxie (MBE) zu einer deutlichen Vergrößerung des (GaIn)(NAs)-Wachstumsfensters führt. Im dritten Teil der Arbeit wurden für das GaP-basierte Materialsystem Ga(NAsP) Ätzverfahren von Grund auf neu entwickelt, welche es ermöglichen, auch in diesem System Strukturentwicklungsprozesse auf inneren Grenzflächen rasterkraftmikroskopisch zu analysieren. Umfangreiche Funktionalitäts- und Selektivitätsuntersuchungen führten zu dem Ergebnis, dass GaP-Barrierengrenzflächen durch Entfernung eines AlP/(GaIn)P-Caps mittels 30% Salzsäure (HCl-Verfahren) oder durch Entfernung eines Ga(NAsP)-Caps mittels ammoniakalischer Wasserstoffperoxid-Lösung (H2O2-Verfahren) zugänglich sind. Innere Grenzflächen von quaternärem Ga(NAsP)-Material können ebenfalls mit Hilfe des HCl-Verfahrens freigelegt werden, wobei sowohl AlP/(GaIn)P als auch GaP als Cap-Material zum Einsatz kommen kann. Durch Kombination von HCl- und H2O2-Verfahren können innere QW- und Barrierengrenzflächen sukzessive freigelegt werden, was unter Zuhilfenahme von Defekten als Positionsmarker erstmals die direkte Korrelation zweier übereinanderliegender Grenzflächen mit einer Genauigkeit von weniger als 20 nm ermöglicht. Die Strukturentwicklung der inneren Grenzflächen bei Wachstumsunterbrechung ist abhängig von der Material- und der Gasphasenzusammensetzung: Bei gitterangepasstem Ga(NAsP)-Solarzellenmaterial mit hohem Stickstoffgehalt wird die Strukturentwicklung von lokalen, N-induzierten Spannungsfeldern dominiert, während bei kompressiv verspanntem Ga(NAsP)-Lasermaterial mit niedrigem N-Gehalt überwiegend die integrale Verspannung als Triebkraft wirkt.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2008.0070