Untersuchung von unpolaren InGaN/GaN-Quantentopf-Strukturen auf Lithiumaluminat-Substraten

• Applicants: Dr. Holger Kalisch; Dr. Achim Trampert
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2007 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 58672607

Galliumnitrid (GaN)-basierende Heterostrukturen mit unpolaren Grenzflächen zeigen wegen der fehlenden Polarisationsfelder in Wachstumsrichtung eine erhöhte Rekombinationseffizienz in Quantentopf-Strukturen. Ausgestattet mit anisotropen Kristalleigenschaften, die zu einer polarisierten Emission von Licht führen, gelten diese als viel versprechende Grundlage für neuartige optische Bauelemente. Lithiumaluminiumoxid (LiAlO2, im Folgenden abgekürzt mit LAO), das als Substrat die Epitaxie von unpolarem (1-100) m-plane-GaN erlaubt, bietet gegenüber aufwändig herzustellenden reinen GaN-Substraten erhebliche preisliche Vorteile. Ein Problem bei der Heteroepitaxie stellen trotz der vergleichsweise geringen Gitteranpassung von LAO zu GaN noch die hohen Verspannungen der Schichten dar, die als wahrscheinlichste Ursache für die Bildung von Defekten und einer relativ rauen Oberfläche gelten. Daneben ist bei diesem speziellen Substrat noch die Ausdiffusion von Sauerstoff, der sich in die GaN-Schicht einbaut und als Hintergrunddotierung störend wirkt, ein Problem.Das vorliegende Projekt soll aufbauend auf den bisherigen Untersuchungen zur Abscheidung von planaren m-plane-GaN-Schichten auf LAO Wege aufzeigen, mit denen über die Epitaxie dreidimensionaler Strukturen das Problem der Verspannung und Defektbildung gelöst oder zumindest abgemildert werden kann. Die Erzeugung der 3D-Strukturen erfolgt einerseits in mikroskopischen Dimensionen über die Strukturierung des LAO-Substrats. Auf diesem Wege wird durch die Abscheidung auf effektiv kleineren Grundflächen die Verspannung in der Schicht deutlich reduziert. Die Strukturierung erfolgt über nasschemisches Ätzen und evtl. zusätzliche Abdeckung der geätzten Gräben mit einem Dielektrikum. Das trägt dazu bei, die Diffusion von Sauerstoffverbindungen aus dem Substrat zu unterdrücken und so die Hintergrunddotierung zu reduzieren. Eine weitere Verbesserung wird durch eine Rückseitenbedeckung des Substrats z.B. mit SiN oder Titan angestrebt. Die Anisotropie der Gitterfehlanpassung wird bei der Dimensionierung der Grundlächengeometrie der erzeugten Strukturen im Substrat berücksichtigt, so dass der Einfluss von Verspannungen in den unterschiedlichen Kristallrichtungen studiert werden kann. Andererseits werden über die Züchtung von so genannten Nanodrähten die Eigenschaften solcher nanoskaliger Strukturen untersucht, die in jüngster Zeit nicht nur im Bereich der Gruppe III-Nitride große Aufmerksamkeit erlangt haben. Diese Nanodrähte werden mit Hilfe von katalytisch wirkenden Metallkolloiden direkt auf dem Substrat abgeschieden und hinsichtlich ihrer kristallinen Feinstruktur und der optischen Eigenschaften untersucht. Aus den Unterschieden zu planar gewachsenen Schichten werden Rückschlüsse zu Verspannung, Defekten und Einbau von Verunreinigungen erwartet.In konsequenter Fortsetzung der Charakterisierung von InGaN/GaN-Quantentöpfen werden diese Heteroübergänge sowohl auf den strukturierten LAO-Substraten als auch in die Nanodrähte eingebracht und untersucht. Für ersteres steht die Untersuchung des Einflusses von Verspannung und Defekten für die Qualität der Quantentöpfe im Vordergrund. Optische und strukturelle Daten werden mit denen auf unstrukturierten Substraten verglichen. Im Weiteren werden auf strukturierten und unstrukturierten Substraten auch LED-Schichtfolgen hergestellt, die schließlich zu LEDs prozessiert werden. Auf diese Weise sind vergleichende Elektrolumineszenzmessungen möglich, die Auskunft über die mögliche Verwertbarkeit dieser Techniken geben können. Der Einbau von InGaN/GaN-Quantentöpfe in Nanodrähte stellt eine besondere Herausforderung dar, da das laterale und vertikale Wachstum gut kontrolliert werden muss. Die beiden möglichen Wege des Aufbaus in axialer und radialer Richtung werden angegangen und auf ihre Realisierbarkeit hin geprüft. Mit dem Einbau von Quantentöpfen in axialer Richtung eines Nanodrahts ist die Herausforderung der Herstellung und Charakterisierung von InGaN-Quantenpunkten (0-dimensionales System) verbunden. Deren strukturelle und optische Eigenschaften zu untersuchen und mit denen von Nanodrähten (1D) und planaren Schichten (2D) zu vergleichen, stellt einen großen Fortschritt in der Entwicklung von neuartigen nanoskaligen optischen Bauelementen dar.

• DFG Programme: Research Grants