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Struktur innerer Grenzflächen von (GaIn)(NAs)-Heterostrukturen und Eigenschaften von (GaIn)(NAs)-Laserdioden

By Siegfried Nau

Abstract

Das Themengebiet der Arbeit war die Herstellung und Untersuchung von Halbleiterheterostrukturen und Laserbauelementen auf der Basis des neuartigen Materialsystems (GaIn)(NAs). Die Proben wurden mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) unter Verwendung der Quellen Tertiärbuthylarsin (TBAs), 1,1-Dimethylhydrazin (UDMHy), Triethylgallium (TEGa) und Trimethylindium (TMIn) bei Wachstumstemperaturen von 525°C und einem Reaktordruck von 50mbar hergestellt. Als Substrat wurde exakt orientiertes (100)-GaAs benutzt. Es handelt sich bei (GaIn)(NAs) um ein metastabiles Materialsystem, bei dem komplexe Wechselbeziehungen zwischen den Wachstumsparametern bestehen. Die Proben wurden mit zahlreichen experimentellen Methoden analysiert, von denen einige im Rahmen dieser Arbeit neu geschaffen wurden. Die Arbeit weist zwei Schwerpunkte auf: Zum einen wurde die Struktur und die Strukturentwicklung von (GaIn)(NAs)-Heterostrukturen untersucht. Das Interesse lag dabei besonders auf der Gestalt von inneren, d.h. im Kristall eingebetteten Heterogrenzflächen und deren Einfluss auf die elektronischen Probeneigenschaften. Zum anderen wurden aufgrund der technologischen Relevanz Laserbauelemente auf (GaIn)(NAs)-Basis hergestellt und analysiert, die in der Nähe von 1300nm emittieren. Für die strukturellen Untersuchungen von inneren Halbleitergrenzflächen wurde eine neuartige Methode entwickelt. Durch die Kombination von höchstselektiven Ätzen und nachfolgender Rasterkraftmikroskopie ermöglicht sie die Beobachtung von dynamischen Strukturbildungsvorgängen auf inneren Grenzflächen mit einer Zeitauflösung von einer Sekunde bei subatomarer Höhenauflösung und einer lateralen Auflösung von ca. 20nm. Man erhält dreidimensionale Aufnahmen realer innerer Grenzflächen. Die Funktionsweise und die Funktionstüchtigkeit des Verfahrens wurden ausführlich für die Materialsysteme AlAs/GaAs, AlAs/(GaIn)As, AlAs/Ga(NAs) und AlAs/(GaIn)(NAs) demonstriert. Die Materialsysteme GaAs, (GaIn)As und Ga(NAs) zeigen unter optimierten Wachstumsbedingungen zweidimensionales van-der-Merwe-Wachstum. In Wachstumsunterbrechungen glätten die Wachstumsoberflächen aus, und es bilden sich glatte, eine-Monolage-hohe Terrassen aus. Für die zeitliche Entwicklung von charakteristischen Strukturgrößen (hier: von Inseldurchmessern) wurde ein Potenzgesetz der Form d=C*t^g gefunden. Es beschreibt quantitativ die Strukturentwicklung über mehr als zwei Größenordungen. (GaIn)(NAs)-Quantenfilme (x[In]=30%, y[N]<3%) zeigen dagegen ein zweidimensionales Inselwachstum. In Wachstumsunterbrechungen (nur unter TBAs-Stabilisierung) rauen die Grenzflächen auf und zeigen eine neuartige, nicht kontinuierliche Strukturentwicklung, die nach einer kritischen Unterbrechungszeit das gesamte Quantenfilmmaterial involviert. Es handelt sich dabei nicht um eine Phasenseparation (die monokristalline kubische Ordnung bleibt erhalten), und die Effekte sind unabhängig von der makroskopischen Verspannung des Materials. Eine Stabilisierung mit UDMHy während der Wachstumsunterbrechung verlangsamt bzw. unterbindet die beschriebenen Phänomene. (GaIn)(NAs) zeigt nicht nur eine ungewöhnliche Strukturbildung selbst, es verändert auch die Wachstumsmodi der anderen Materialien in einer Heterostruktur. So wird durch die Einbettung von (GaIn)(NAs)-Quantenfilmen die Wachstumscharakteristik von Ga(N)As-Barrieren wesentlich beeinflusst. Die Strukturbildungsphänomene wurden auf lateral inhomogene Verspannungsfelder im aktiven Material zurückgeführt. Die strukturellen Eigenschaften haben Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften der Proben und auf die Leistungsfähigkeit von Bauelementen. Um die Wachstumsparameter von (GaIn)(NAs) mit Bauelementeigenschaften korrelieren zu können, wurden systematisch (GaIn)(NAs)-Laserdioden in Breitstreifengeometrie untersucht. Als ein wesentlicher Faktor für die Qualität der Laserdioden hat sich herausgestellt, dass das Wachstum der aluminiumhaltigen Mantelschichten und der stickstoffhaltigen aktiven Zone in zwei getrennten Anlagen durchgeführt wird. Weiterhin wurde eine starke Korrelation der Schwellstromdichte von (GaIn)(NAs)-Laserdioden und dem Kohlenstoffgehalt in der aktiven Region gefunden, der mittels SIMS bestimmt wurde. Der Zusammenhang ist über mehr als zwei Größenordnungen gültig. Die Art und der physikalische Verlustmechanismus des Kohlenstoffdefekts sind Gegenstand aktueller Forschung. Die Prozesstechnologie für Breitstreifenlaserdioden sowie der Aufbau eines leistungsfähigen, gepulstes Messplatzsystems für Breitstreifenlaserbarren wurden im Anhang der Arbeit detailliert beschrieben (100ns Pulsbreite, bis zu 4A Pulshöhe)

Topics: Inhomogeneous strain ; Laserdiode ; innere Grenzflächen ; inhomogene Verspannung ; VCSEL-Laser ; Gallium Indium Arsenide Nitride ; Drei-Fünf-Halbleiter ; Gallium Indium Arsenid Nitrid ; Metastabilität ; Galliumarsenid / Aluminiumarsenid / Mischkristall ; Lithographie <Halble ; (GaIn)(NAs) ; Interior interfaces ; UDMHy ; Epitaxie ; Physics, Inhomogeneous strain -- Laserdiode -- innere Grenzflächen -- inhomogene Verspannung -- VCSEL-Laser -- Gallium Indium Arsenide Nitride -- Drei-Fünf-Halbleiter -- Gallium Indium Arsenid Nitrid -- Metastabilität -- Physik -- Galliumarsenid / Aluminiumarsenid / Mischkristall -- Lithographie <Halble -- (GaIn)(NAs) -- (GaIn)(NAs) -- Interior interfaces -- UDMHy -- UDMHy -- Epitaxie, ddc:530
Publisher: Philipps-Universität Marburg, Fachbereich Physik
Year: 2005
OAI identifier: oai:Archiv.UB.Uni-Marburg.de:04-z2005-0084

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