Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen geeigneten Epitaxieprozess für die Abscheidung einkristalliner Gruppe III-Nitrid Schichten auf Silizium zu entwickeln. Als Methode wurde dazu die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) verwendet.
In Kapitel 1-3 werden zunächst die wichtigsten Fakten zu den Gruppe-III Nitriden zusammengefasst, die experimentellen Charakterisierungsmethoden erläutert, ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen geeigneten Epitaxieprozess für die Abscheidung einkristalliner Gruppe III-Nitrid Schichten auf Silizium zu entwickeln. Als Methode wurde dazu die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) verwendet. In Kapitel 1-3 werden zunächst die wichtigsten Fakten zu den Gruppe-III Nitriden zusammengefasst, die experimentellen Charakterisierungsmethoden erläutert, sowie theoretische und praktische Grundlagen zum Verständnis der MOVPE erarbeitet. Mit Kapitel 4 beginnt der experimentelle Teil der Arbeit. In diesem Kapitel werden die grundlegenden allgemeinen Prozessparameter zusammengefasst, die durch die Optimierung eines Abscheideprozesses auf Saphir entstanden sind. Als wichtigstes Ergebnis gilt es hier festzuhalten, dass die Schichtqualität entscheidend durch den Verzicht auf eine Nitridierung des Substrates verbessert werden konnte. Die Gitterfehlanpassung von GaN auf Silizium beträgt -16,9 %. Dennoch stellt dies nicht die entscheidende Problematik bei der Epitaxie dar. Wie in Kapitel 5 dargestellt, sind die größten Hürden dabei in erster Linie das "`Meltback Etching"', eine schicht- und substratzerstörende chemischen Reaktion von Gallium mit Silizium, sowie das durch den im Vergleich zu GaN kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Si verursachte Reißen der Schichten. Die Lösung dieser beiden Problematiken ist als zentrales Ergebnis dieser Dissertation hervorzuheben. Es konnte gezeigt werden, dass AlN in hoher einkristalliner Qualität direkt auf Si(111) abgeschieden werden kann. Trotz großer Gitterfehlanpassung ist dabei das auf Saphir ausgeprägte Volmer-Weber Wachstum nicht zu beobachten. Dies wird auf eine erhöhte Nukleationsdichte auf den aufgrund ihrer geringeren thermischen und chemischen Resistenz bei Prozesstemperatur mikroskopisch aufgerauten Si-Oberflächen zurückgeführt. Als Puffer aufgebracht, dienen rund 100 nm dicke AlN-Schichten als Diffusionsbarrieren für Si- bzw. Ga-Atome und verhindern dadurch effizient das Meltback Etching. Das Reißen der GaN-Schichten resultiert aus der tensilen Verspannung, die sich wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beim Abkühlen von Prozess- auf Raumtemperatur aufbaut. Eine während des Wachstums gezielt aufgebaute kompressive Verspannung kann dem entgegenwirken. Es konnte gezeigt werden, dass diese in einem graduellen Übergang von AlN nach GaN innerhalb von etwa 400 nm maximal wird. Plausibel wird dies, da dadurch die lokale Gitterfehlanpassung stets klein genug bleibt, um Versetzungseinbau zu vermeiden, der verspannungsabbauend wirkt. Die kritische Schichtdicke, ab der es wieder zum Reißen der Schichten kommt wurde dadurch mit 2,5 µm mehr als verdoppelt. Im letzten Kapitel werden Experimente mit der ternären Legierung AlGaN und daraus aufbauenden Heterostrukturen vorgestellt. Dabei konnten durch die hohe Polarität des Materialsystems verursachte Effekte wie zweidimensionale Elektronengase, quantenunterstützter Stark-Effekt und Franz-Keldysh-Effekt nachgewiesen werden. Desweiteren wird die Anwendung der Methode des "cleaved edge overgrowth" auf die MOVPE von Gruppe III-Nitriden untersucht und erste Ergebnisse der Strukturierung eines Quantendrahtes vorgestellt. Den Abschluss bildet die tiefgehende Analyse eines bemerkenswerten Phänomens der Epitaxie des ternären AlGaN. Es wird die Möglichkeit einer vertikalen Entmischung der Legierung unter Ausbildung von selbstorganisierten Übergittern der Form AlxGa1-xN / AlyGa1-yN bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass seine Periodenlänge gezielt im Bereich von rund 1,5 nm bis 6 nm über die Flussraten der Gruppe III Vorstufen gesteuert werden kann. Als Entstehungsmechanismus wird eine durch die kompressive Verspannung induzierte periodische Segregation vorgeschlagen.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
In the last few years the attention on silicon as a potential substrate
for nitride heterostructures has grown because of its low price, high
quality, and availability in a wide range of doping levels. Furthermore,
there might be the possibility of combining conventional Si based structures
with group III-nitride films on a single wafer.
Although the crystal structure of silicon is cubic, the ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
In the last few years the attention on silicon as a potential substrate for nitride heterostructures has grown because of its low price, high quality, and availability in a wide range of doping levels. Furthermore, there might be the possibility of combining conventional Si based structures with group III-nitride films on a single wafer.
Although the crystal structure of silicon is cubic, the (111)-surface has a projected hexagonal lattice of a = 0.384 nm. Compared to sapphire or SiC, silicon is much less suitable for growth of high quality nitride films. Large lattice mismatch f = -16.9, large tensile mismatch of in plane thermal expansion coefficients and film-substrate-reactions require complex buffer structures and intermediate layers. These reactions, well known as the meltback etching, only occur between Ga and Si. As a consequence, Ga must not be present at the initialisation of growth. Among others, low temperature (LT) AlN buffers have proven to act as an efficient diffusion barrier for Si and Ga as well as a suitable nucleation layer. We have successfully developed a new buffer structure, that allows growth of high quality nitride layers on silicon with thicknesses up to at least 2µm free from cracks. In contrast to other groups, we use a high temperature AlN buffer layer as the first growth step. This greatly improves crystal quality and avoids meltback etching. With a graded AlGaN layer as the second growth step a maximum of compressive stress can be introduced to the layer, which compensates the tensile stress during cooldown. This allows us to omit low temperature interlayers which increase the overall crackfree thickness, but limit the usable thickness to the periodicity, they have to be inserted. Although, the maximum thickness for layers free from cracks prepared with our technique is limited, it is still high enough to permit the growth of a large variety of heterostructures.
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