Promotionen

Physik, MOVPE-Wachstum und Untersuchung von m-plane-GaN-Schichten und InGaN/GaN-Quantentöpfen auf γ-LiAlO₂-Substraten (2012)

• Dr. Christof Mauder (Zusammenfassung)

  LED strahlen Licht effizient aus und die Lichtfarbe kann bei der Herstellung der LED gut eingestellt werden. Meistens werden III-V-Halbleiter für die aktive, Licht-emittierende Schicht verwendet. Für blaue LED oder Laserdioden werden Gruppe-III-Nitride (z.B. GaN/InGaN) genutzt. Gruppe-III-Nitride bilden eine hexagonale Kristallstruktur aus. Die hexagonale Kristallstruktur besitzt kein Inversionszentrum in Wachstumsrichtung der Schichten (c-plane), sodass spontane und piezoelektrische Polarisierungen die Lichterzeugung stören („quantum confined Stark effect“, kurz QCSE). Um den Einfluss der Polarisierung zu verringern, wurden in dieser Arbeit die kristallinen Schichten nicht in c-Richtung gewachsen, sondern in m-Richtung (Seitenfläche des Hexagons). Auf diese Weise ist die Polarisierung senkrecht zum Stromfluss der Leuchtdiode. Damit in m-Richtung gewachsen werden kann, wurde γ-LiAlO₂ als Substrat gewählt, da die Gitterkonstanten von Substrat und Epitaxieschicht kaum voneinander abweichen und das Wachstum in m-Richtung gefördert wird.
  In dieser Arbeit wurde unter anderem ein Nitridations-Schritt vor der Epitaxie eingeführt, der ein qualitativ hochwertiges Wachstum ermöglichte. Dementsprechend entstanden relativ wenige “threading dislocations” und “basal plane stacking faults” (Kristalldefekte). Weiterhin wurden eine m-plane InGaN/GaN MQW Strukturen mit unterschiedlichen InN-Anteilen (5-30%) gewachsen. Bei einem hohen InN-Anteil (>16%) verbreiterten sich die PL Spektren, was auf InN-cluster deuten könnte. Bei niedrigem InN-Anteil, konnte der QCSE stark abgeschwächt werden. Zuletzt wurden m-plane InGaN/GaN-LED hergestellt, die verbesserte elektrische und optische Eigenschaften zeigten.

   

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Umfassende Untersuchung zur metallorganischen Gasphasenepitaxie von InAlN/GaN-HEMT-Strukturen und GaN-Nanodrähten (2013)

• Dr. Hannes Behmenburg (Zusammenfassung)

  GaN-basierte High Electron Mobility Transistoren (HEMT) zeigen herausragend gute Eigenschaften im Hochfrequenzbereich, der u.a. schnellere Mobilfunknetze ermöglicht. Aufgrund der hohen Durchbruchfeldstärke, Elektronenbeweglichkeit und Sättigungsgeschwindigkeit eignet sich GaN für Hochfrequenz-Anwendungen mehr als andere Materialien (Si, GaAs etc.). Mit solchen HEMT lassen sich hohe Frequenzen und hohen Leistungsdichten erreichen. In dieser Arbeit wird eine InAlN Barriere anstelle der üblichen AlGaN Barriere untersucht. Dieses Material ermöglicht noch größere Leistungsdichten aufgrund von höheren Ladungsträgerdichten und höhere Nutzfrequenzen aufgrund einer dünneren Barriere-Schicht. Die Wachstumsbedingungen der jeweiligen Schichten des HEMT wurden optimiert und eine neue SiN-Passivierung der Barriere-Schicht analysiert. Dabei wurden Isolationswiderstände, laterale Durchbruchfeldstärken und Leistungsdichten (bei 18 und 40 GHz) nach dem neusten Stand der Technik erreicht.

  
  Weiterhin wurden Halbleiter-Nano-Drähte mit dem Vapor-Liquid-Solid-Prozess hergestellt. Die Erforschung dieser Nanostrukturen erfolgte mit Hinblick auf die Anwendung in zukünftigen Bauelementkonzepten. Es gelang in der Arbeit eine hohe Wachstumsdichte von geraden GaN Nanowires zu realisieren, die keine „threading dislocations“ (eine Art der Kristalldefekte) aufweisen.

   

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Verständnis und Optimierung von InN und InGaN-Legierungen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (2013)

• Dr. Öcal Tuna (Zusammenfassung)

  Leuchtdioden (LED) emittieren Licht effizient und basieren meistens auf III-V-Halbleitern. Gruppe-III-Arsenide und Gruppe-III-Phosphide (wie GaAs oder AlP) eignen sich für rotes bis gelbes Licht. Für grüne oder blaue LED benötigt man jedoch Gruppe-III-Nitride (wie GaN), da diese eine größere Bandlücke haben. Man kann mit ternären Verbindungen (z.B. InGaN) den kompletten sichtbaren Bereich des Lichts je nach InN-Anteil abdecken, da InN eine vergleichsweise kleine Bandlücke hat. Des Weiteren hat InN eine hohe Elektronenbeweglichkeit, was es interessant für elektronische Anwendung mit hohen Strömen oder Frequenzen macht. Leider erweist sich die Abscheidung von InGaN als nicht als einfach, da InN sich schon bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen zersetzt, zumal die Gitterkonstanten von InN und GaN stark voneinander abweichen und auch die Dampfdrücke stark unterschiedlich sind. Dennoch wurden in dieser Arbeit InN abgeschieden und untersucht. Bei hohen V/III-Konzentrationen und niedrigen Wachstumstemperaturen besserte sich die Kristallqualität, die mit Raman Messungen nachgewiesen wurde. Hall Messungen wurden als ungeeignet identifiziert, da bei InN viele Oberflächenladungen akkumuliert werden und somit die Messung verfälschen. Um InGaN Schichten von hoher Qualität abzuscheiden, wurde eine InN Zwischenschicht vor der InGaN Schicht gewachsen. Durch Migration von InN in die InGaN Schicht, konnte der InN Anteil in der InGaN Schicht von 74% auf 85% erhöht werden. Damit konnten qualitativ gute InGaN Schichten mit einem InN Anteil zwischen 40% und 85% erfolgreich gewachsen werden. Jedoch zeigten InGaN Schichten mit mittlerem InN Anteil ein hohes Maß an Unordnung, was sich negativ auf die Kristallqualität auswirkt. Des Weiteren wurden hoch p-dotierte (Mg) InGaN Schichten untersucht. Bei „over-doping“ wurden die InGaN Schichten aufgrund von Mg-Clustern mit N-Fehlstellen n-leitend.

   

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HCl-unterstützte MOVPE von Gruppe III-Nitriden in einem Hot-Wall-Planeten-Reaktor (2014)

• Dr. Dirk Fahle (Zusammenfassung)

  Effiziente Leuchtdioden (LED) auf Gruppe-III-Nitrid-Basis können das ganze Spektrum des sichtbaren Lichts und auch den UV-Bereich abdecken. Um sich gegen andere Technologien durchzusetzen, muss der Herstellungspreis erheblich gesenkt werden. Der Preis sinkt je mehr LED in einem Reaktor gewachsen werden (größere Reaktoren) und je schneller diese gewachsen werden (höhere Wachstumsrate). Beide Faktoren werden durch parasitäre Gasphasenreaktionen der Ausgangsstoffe begrenzt. Ziel dieser Arbeit war, solche parasitären Gasphasenreaktionen durch HCl zu unterdrücken und die Wachstumsraten zu erhöhen. Um eine parasitäre Ablagerung von NH₄Cl (NH₃ + HCl) zu verhindern, wurde ein hot-wall Reaktor mit einem drei-Ebenen Injektor verwendet. Für GaN reichten vergleichsweise kleine, aber druckabhängige HCl zu TMGa Verhältnisse, um parasitäre Gasphasenreaktionen zu verhindern. Damit konnten hohe Wachstumsraten von 16 µm/h bei gleicher Mobilität und Morphologie erreicht werden, da HCl vor allem in der Gasphase und kaum die Schicht auf dem Substrat ätzte. GaCl trug nicht zum Wachstum bei. Bei AlN waren deutlich höhere HCl zu TMAl Verhältnisse notwendig, was den Einsatz von HCl bei ternären Verbindungen (AlGaN) schwierig macht. Weitergehend wurde der Ätzprozess von HCl auf GaN und AlN näher untersucht. Dabei konnte unter anderem durch gepulsten HCl-Fluss die GaN Ätzrate erhöht werden, während der HCl Verbrauch drastisch gesenkt wurde. Für AlN waren höhere Temperaturen bei schlechterem Ergebnis notwendig. Es zeigte sich, dass Cl2 für in-situ Reinigungen besser geeignet ist, da es auch AlN gut ätzt. Des Weiteren wurden AlN Bufferschichten auf α-Al₂O₃ für UV-LED Anwendungen gewachsen. Dieser Ansatz dient als Alternative zu AlN-Substraten für UV-LED. AlN Substrate sind aktuell mengenmäßig limitiert und klein (<2 inch), was sie für industrielle Anwendungen ungeeignet macht. Allerdings wirkten sich die Startkonditionen (Belegung im Reaktor durch vorherige Runs) negativ auf die Reproduzierbarkeit und Kristallqualität aus. Durch eine vorherige Reinigung und eine AlN Zwischenschicht, konnte die Kristallqualität deutlich verbessert werden (Defektdichte von 2,3*10¹⁰cm^-2 auf 1,4*10¹⁰cm^-2 reduziert).

   

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MOVPE-Wachstum und Charakterisierung von GaN / InGaN-Nanodrähten und Mikroroden für die nächste Generation von Festkörperbeleuchtungsanwendungen (2016)

• Dr. Bartosz Foltyński (Zusammenfassung)

  Optische Bauelemente aus III-V-Halbleitern (z.B. LED) mit der weit entwickelten Siliziumtechnologie monolithisch zu integrieren ist schwierig, da die Gitterkonstanten der Halbleiter stark voneinander abweichen oder sogar ein hexagonales Kristallgitter bei III-Nitriden vorhanden ist, das nicht zur kubischen Kristallstruktur des Siliziums passt. Nanowires und Microrods könnten dennoch hohe Kristallqualitäten der aufgewachsenen Schichten erreichen. In dieser Arbeit wurden vertikale Nanosäulen auf Si(111) Substraten mittels MOCVD gewachsen. Dabei wurden drei verschiedene Wachstumstechniken verwendet. Zunächst wurde die vapor-liquid-solid Methode (mittels Goldtropfen) untersucht. Die hohe Reaktivität von Gold und Silizium verhinderte ein direktes Wachstum auf Silizium. Deswegen wurde zunächst auf Saphir Substrate ausgewichen. Die nun gewachsenen NW (nanowires) zeigten einen inhomogenen In-Anteil entlang der c-Achse. Besonders am Fuß der NW bildeten sich die koaxialen InGaN MQW nicht vollständig, da das Wachstum vor allem im Goldtropfen stattfindet. Es wurde dennoch kein Gold in den NW eingebaut. Ausgefeilte Charakterisierungsmethoden zeigten, dass der GaN-Kern stressfrei war. Die zweite Technik ist die „selective area growth“ (SAG) auf Si(111). Dazu wurde eine Maske mit verschieden großen, verschieden geformten Löchern auf dem Substrat aufgebracht. In den Aussparungen wuchsen mit angepassten Wachstumsparametern und Silan(SiH₄)-Gas im Reaktor vertikale GaN-Säulen. Bei zu langer Wachstumszeit trat jedoch auch ein ungewolltes Wachstum auf der Maske auf. Die Kristallqualität ist ähnlich gut wie bei stressfreien Bulk-Kristallen. Zuletzt wurde die „self-organized growth“ Technik angewandt. Mit Hilfe einer AlN Bufferschicht auf dem Si(111) Subtrat konnten NW aufgebracht werden, wobei einige angewinkelt waren. Am Fuß der NW störte das Silan die MQW-Bildung, sodass unten eher rotes statt blaues Licht emittiert wurde.

   

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Masterarbeiten

Wachstum und Charakterisierung von AlGaN für UV-emittierende LED (2017)

• Zusammenfassung

  UV LED finden immer mehr Anwendungsmöglichkeiten, von Sterilisation von Wasser bis Banknotenidentifizierungen. UV LED basieren auf Gruppe-III-Nitrid Halbleitern wie AlGaN, da diese eine große Bandlücke haben. Für den UVB und UVC Bereich benötigt man AlGaN LED mit sehr großem Al-Gehalt. Leider ist die Effizienz von UV LED noch vergleichsweise gering, da in den Verbindungshalbleitern viele Störstellen eingebaut werden, die als nicht-strahlendes Rekombinationszentrum dienen. AlN Substrate sind aktuell viel zu teuer für kommerzielle Nutzung, weshalb auf Saphir ausgewichen wird. Damit möglichst defektfrei abgeschieden werden kann, wurde in dieser Arbeit das AlN Wachstum untersucht. Die Morphologie der gewachsenen Schichten war temperaturabhängig. Die besten Ergebnisse wurden zwischen 1200°C und 1350°C erreicht, da bei niedrigeren Temperaturen Inselwachstum vorlag und höhere Temperaturen zu Ätzprozessen und Nebenreaktionen mit dem SiC-Suszeptor führten. Weiterhin wurden N₂ und H₂ als Trägergase untersucht. Bei H₂ kam es bei hohen Temperaturen zu Desorptionsprozessen, was die Wachstumsrate verringert. Beim inerten N₂ war dies nicht beobachtbar. Bei niedrigen Temperaturen senkt N₂ den Diffusionskoeffizienten der metallorganischen Moleküle jedoch deutlich stärker als H₂, sodass bei N₂ die Wachstumsrate stark verringert wird. Des Weiteren wurde meistens ein linearer Zusammenhang zwischen der TMAl Flussrate und der Wachstumsrate festgestellt, wobei Sublinearitäten auf parasitäre Reaktionen bei hohen Temperaturen oder Ausgangsmaterial-Flüssen hinwiesen. Zuletzt wurde festgestellt, dass ein hoher NH₃-Fluss die Mobilität der Al ad-Atome hindert, was sich negativ auf die Wachstumsrate auswirkt.

Kryogene Charakterisierung von 4H-SiC Hochleistungs-MOSFET-Bauelementen (2017)

• Zusammenfassung

  Siliziumkarbid (SiC) ist ein Verbindungshalbleiter mit großer Bandlücke und theoretisch guter Elektronenmobilität. Somit eignet sich SiC besonders für Hochleistungsbauelemente wie MOSFET. Aktuell bleiben die erreichten Mobilitäten jedoch hinter den Erwartungen zurück, da diese durch Elektronenfallen (traps) an der SiO₂/SiC-Grenzfläche gestört werden. In dieser Arbeit wurde ein „post oxidation anneal“ (Kristallheilung nach Oxidation, kurz POA) mittels NO statt dem üblichen N₂ untersucht, um die Störstellen zu verringern. Die im Laufe dieser Arbeit mittels NO POA realisierten MOSFET zeigten deutlich bessere Mobilitäten und On-Widerstände als mit N₂ POA hergestellte MOSFET. Die energetischen Positionen der Störstellen konnten mit Hilfe von kryogenen Charakterisierungsmethoden auf E_C-0,13eV (Grenzfläche) und E_C-0,3eV (nah der Grenzfläche) bestimmt werden. Eine Veränderung des NO Flusses um ±30% während des POA zeigte keine merkliche Veränderung der Dichte der Elektronenfallen. Die Grenzflächen-Elektronen-Fallen (und zwei Löcher-Fallen) konnten mit NO POA verringert werden, wobei die Fallen nahe der Grenzfläche nahezu unberührt blieben. Es wurde vermutet, dass es sich bei den Grenzflächenfallen um Störstellen durch die Ionenimplantierung des p-well handelt, die wahrscheinlich die Mobilität verringern.