Gruppe-III-Nitride: Phononen, Plasmonen, Polarität

Group-III-Nitrides: Phonons, Plasmons, Polarity

  • Die vorliegende Arbeit mit dem Titel „Gruppe-III-Nitride: Phononen, Plasmonen, Polarität“ befasst sich mit den Auswirkungen einer Störung in Kristallen der Gruppe-III-Nitride auf ihre optischen, elektrischen und strukturellen Eigenschaften. Als Spezialfall einer solchen Störung werden dabei die Dotierung und der Einbau von Inversionsdomänen, also Grenzen, an welchen sich die Oberflächenpolarität ändert, betrachtet. Als experimentelle Methoden zur Untersuchung der Kristalle dienen Raman-SpektroskDie vorliegende Arbeit mit dem Titel „Gruppe-III-Nitride: Phononen, Plasmonen, Polarität“ befasst sich mit den Auswirkungen einer Störung in Kristallen der Gruppe-III-Nitride auf ihre optischen, elektrischen und strukturellen Eigenschaften. Als Spezialfall einer solchen Störung werden dabei die Dotierung und der Einbau von Inversionsdomänen, also Grenzen, an welchen sich die Oberflächenpolarität ändert, betrachtet. Als experimentelle Methoden zur Untersuchung der Kristalle dienen Raman-Spektroskopie und Photolumineszenz, unterstützt durch weitere Methoden wie Rasterkraft- und Rasterelektronenmikroskopie. Am Ende wird spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie als aktuelle, potente Technik vorgestellt. Nach einer Einführung in die optischen und strukturellen Eigenschaften der Gruppe-III-Nitride erfolgt eine Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Phononenenergien von AlN, GaN und InN. Anhand von Messungen an aktuellen, hochqualitativen Proben gelingt eine experimentelle und theoretische Untersuchung der Gitterdynamik in diesen Systemen, wobei ein direkter Vergleich von allen drei Materialien erfolgt. Nach intensiver Diskussion publizierter Werte für die Energien der Phononenmoden wird für die drei untersuchten binären Gruppe-III-Nitride ein Wert für unverspanntes Material vorgestellt, welcher im weiteren Verlauf der Arbeit verwendet wird. Abschließend wird die Thematik der LO-Mode in InN diskutiert. Anschließend wird die hochaktuelle Thematik des Einflusses von Silizium-Dotierung auf AlN und AlGaN Proben untersucht. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, Si-Dotierung in AlGaN besser zu verstehen und zu optimieren. Es wird gezeigt, das Si-Dotierung zu einer tensilen Verspannung führt, welche sich in einer Verschiebung der Lumineszenz und Raman-Moden niederschlägt. Die Ursachen für diese tensile Verspannung werden intensiv diskutiert. Für Si-dotierte AlGaN-Proben kann erstmalig eine Phononen-Plasmonen-Kopplung nachgewiesen werden. Dieser in GaN wohlbekannte Mechanismus wird theoretisch untersucht und ausgenutzt, um komplementär zu Hall-Messungen, die Ladungsträgerkonzentration zu bestimmen. Die somit erzielten Ergebnisse sind sehr vielversprechend und motivieren den breiteren Einsatz von Raman-Spektroskopie zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von ternären Gruppe-III-Nitriden. Bei der Untersuchung des Einflusses der Oberflächenpolarität auf die optischen und strukturellen Eigenschaften von GaN und InN wird gezeigt, dass Stickstoff-terminierte Oberflächen, gegenüber denen belegt mit Indium oder Gallium, meist einen höheren Einbau von Defekten und Kristallfehlern aufweisen. Liegen in GaN zwei Gebiete verschiedener Oberflächenpolarität nebeneinander, so spricht man beim Grenzgebiet von einer Inversionsdomäne. Eine solche Inversionsdomäne offenbart bei Lumineszenz-Messungen eine starke Emission, deren Temperaturabhängigkeit ausgenutzt wird, um ein tieferes Verständnis der Inversionsdomäne und der beteiligten Rekombinationsabläufe zu erlangen. Nutzt man die zuvor beschriebenen Eigenschaften der N-polaren Oberfläche, namentlich den verstärkten Sauerstoff-Einbau, aus, so ist es möglich mittels dieser selektiven Dotierung und paralleler Mg-Dotierung, laterale pn-Übergänge, basierend auf Inversionsdomänen, herzustellen. Dabei liegt die Verarmungszone im Bereich der Inversionsdomäne selbst. Im Rahmen dieser Arbeit werden zum ersten Mal die optischen und elektrischen Eigenschaften eines derartigen pn-Übergangs bestimmt. Dazu werden hochaufgelöste Mikrophotolumineszenz- und Elektrolumineszenz-Messungen analysiert, wobei die Ergebnisse dieser Messungen auf einen verstärkten Einbau von Magnesium an Inversionsdomänen hindeuten, einer Entdeckung mit beachtlichen Potential für das Gebiet der p-Dotierung in GaN. Der letzte Teil der vorgelegten Arbeit grenzt sich von den vorherigen dahingegen ab, dass hier nicht die physikalischen Eigenschaften eines Materialsystems untersucht wurden, sondern vielmehr eine neuartige, äußerst vielversprechende Messmethode, die spitzenverstärkte Raman-Spektroskopie (TERS) vorgestellt wird. Nach einer kurzen Einführung in die theoretischen und experimentellen Grundlagen, werden erste Ergebnisse, welche mit dieser Technik errungen wurden, vorgestellt. Es wird gezeigt, dass TERS Raman-Spektroskopie-Messungen mit einer örtlichen Auflösung von wenigen Nanometern ermöglicht, und damit ein enormes Potential bietet, neue physikalische Erkenntnisse in Gruppe-III-Nitriden zu erlangen.show moreshow less
  • In this work the material system of group-III-nitrides is investigated with respect to the influence of disturbances of the crystal on its optical, structural and electrical properties. As special cases of such disturbances the influence of silicon doping in AlN and AlGaN as well the incorporation of inversion domain boundaries in GaN are analyzed. In order to determine properties of such samples mainly Raman spectroscopy and lateral resolved photoluminescence are utilized, whereby results from In this work the material system of group-III-nitrides is investigated with respect to the influence of disturbances of the crystal on its optical, structural and electrical properties. As special cases of such disturbances the influence of silicon doping in AlN and AlGaN as well the incorporation of inversion domain boundaries in GaN are analyzed. In order to determine properties of such samples mainly Raman spectroscopy and lateral resolved photoluminescence are utilized, whereby results from atomic force microscopy and scanning electron microscopy are used to support the findings. In addition, a newly built up setup for tip-enhanced Raman spectroscopy is introduced and the power of this new experimental technique is demonstrated. Following a short introduction into the main optical and structural properties of group-III-nitrides, results from temperature dependent Raman spectroscopy measurements are presented. Using up to date high quality samples, the experimental and theoretical investigation of the temperature dependency of the lattice dynamics in AlN, GaN and InN is done. A direct comparison of the results from these three materials is presented, which is not available, so far. Finally, due to the high quality of the inestigated samples, the room temperature phonon energies of unstrained binary group-III-nitrides are presented and discussed in accordance to values available in literature. In order to get a deeper understanding of silicon doping, and following the possibility of a better control, Si-doped AlN and AlGaN samples are investigated. For a series with increasing silicon content a shift of the near band edge luminescence to lower energies is revealed. Using Raman spectroscopy, this is explained by an increasing tensile strain due to the incorporation of silicon. The origin of this tensile strain is intensively discussed. For silicon doped AlGaN samples a shift and broadening of the A1(LO) mode is observed, which is explained as a phonon plasmon coupling. Such a coupling is well known in GaN, but was never observed in AlGaN before. The theoretical background of this phonon plasmon interaction is investigated theoretically. The results from this investigation are used to determine the carrier concentration in the samples. Thereby, a good agreement between the findings from Raman and Hall measurements is found, which is very encouraging for the future use of Raman spectroscopy for the determination of the electrical properties of ternary group-III-nitrides. For InN and GaN the influence of the surface polarity is investigated. It is demonstrated, that a sample with N-polarity typically reveals a reduced quality compared to that with an indium or gallium surface. The growth and properties the junction between Ga- and N-polar GaN, the so called inversion domain boundary, is described. A strong emission from such inversion domain boundaries is observed and the temperature dependence of this luminescence is used to investigate the recombination processes connected with the polarity junction. A parallel doping of such samples with magnesium and oxygen leads, due to surface selective incorporation of O, to a pn-junction. Thereby, the depletion zone of the pn-junction is in the area of the inversion domain boundary. In the work in hand the optical properties of such a pn-junction are investigated for the first time. Using micro-photoluminescence measurements, it is shown that magnesium mainly incorporates in the area of the inversion domain. It is suggested that this finding could be usefull for future optimization of Mg-doping in GaN. Finally, a newly built up setup for tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS) is introduced. This up to date setup consist of an atomic force microscope coupled to a conventional Raman spectroscopy system. The theoretical background of this technique is discussed and the used setup is presented. Thereby, problems in the setup as well as the tip preparation, which is shiwn to be essential for the success of TERS measurements, are discussed. Following this, first results from TERS measurements are represented. The great power of TERS for high resolution Raman spectroscopy measurements and applications are demonstrated using results from Ge-nanowires and InGaAs/ GaAs quantum dot structures. The future use of TERS is encouraged, as it will probably lead to numerous discoveries in the field of group-III-nitrides.show moreshow less

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Metadaten
Author: Ronny Kirste
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-33837
Advisor:Prof. Dr. Axel Hoffmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/01/10
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Date of final exam:2012/01/04
Release Date:2012/01/10
Tag:Gruppe-III-Nitride; Inversionsdomäne; Magnesium Dotierung; Oberflächenpolarität; Raman-Spektroskopie
Group-III-Nitrides; Inversion domain boundary; Magnesium doping; Raman spectroscopy; surface polarity
Institutes:Institut für Festkörperphysik
Dewey Decimal Classification:530 Physik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)