TY - THES A1 - Hartmann, Carsten T1 - Aluminiumnitrid-Volumenkristallzüchtung mittels physikalischen Gasphasentransports T1 - Bulk aluminum nitride growth by physical vapour transport N2 - In der Promotionsarbeit wurde ein Züchtungsverfahren zur Herstellung strukturell hochqualitativer AlN-Volumenkristalle mittels PVT-Methode entwickelt. Wesentliche Grundvoraussetzungen dafür sind ein thermisch und chemisch stabiles Tiegelmaterial, ein AlN-Quellmaterial mit Sauerstoffverunreinigungen <300 ppm und AlN-Keime mit hoher kristalliner Perfektion. Unter den getesteten potenziellen Tiegelmaterialien (BN, TaC, TaN, NbC, NbN, TaB2, W) zeigten sich TaC und mit Abstrichen W unter AlN-Züchtungsbedingungen ausreichend stabil und wurden für die Wachstumsversuche verwendet. Zur effektiven Reduzierung der Sauerstoffverunreinigungen im AlN-Quellmaterial wurde ein karbothermischer Reduktionsprozess entwickelt, welcher eine Restsauerstoffkonzentration im Quellmaterial von <300 ppm gewährleistet. AlN-Keime für die Homoepitaxie von AlN-Volumenkristallen wurden durch heteroepitaktisches Wachstum auf SiC-Substraten und über spontane Nukleation freistehender AlN-Kristalle hergestellt. Beim heteroepitaktischen Wachstum auf SiC zeigte sich eine starke Abhängigkeit von der Substratpolarität. Wachstum auf C-polarem SiC ist mit geringeren Ätzgrubendichten von 5*10^4 - 10^6 cm^(-2) gegenüber Si-polarem Wachstum mit Ätzgrubensdichten von 5*10^6 - 10^7 cm^(-2) gekennzeichnet. Für beide Substratpolaritäten wurden Modelle des Anwachsstadiums entwickelt. AlN-Kristalle mit bis zu 35 mm im Durchmesser wurden gezüchtet. Die hohe Rissneigung aufgrund von Abkühlspannungen und Si-Konzentrationen von mehreren Prozent im gewachsenen AlN-Kristall vermindern aber die Kristallqualität erheblich. Eine sehr hohe kristalline Perfektion kann hingegen durch spontane Nukleation freistehender AlN-Kristalle auf einer Zwischenebene in der Tiegelmitte gewährleistet werden. Bei Nukleationstemperaturen von 2200 °C wurden isometrische Kristalle mit 12*12*14 mm^3 gezüchtet. Die Kristalle weisen eine zonare Struktur auf, welche durch einen in [000-1]-Richtung gewachsenen Kernbereich mit Versetzungsdichten <10^2 cm^(-2) und einem senkrecht um den Kernbereich gewachsenen Randbereich mit Versetzungsdichten von 10^2 - 10^4 cm^(-2) gekennzeichnet ist. Strukturell hochqualitative (000-1)-Keime wurden aus spontan nukleierten isometrisch gewachsenen AlN-Kristallen präpariert und für die homoepitaktische Volumenkristallzüchtung verwendet. Unter Zuhilfenahme numerischer Temperaturfeldsimulationen wurde ein angepasster Keimhalter entwickelt, welcher ein leicht konvexes Temperaturfeld am Keim gewährleistet und Parasitärwachstum unterdrückt. Somit konnten AlN-Volumenkristalle homoepitaktisch gezüchtet werden, welche eine Durchmesservergrößerung unter Beibehaltung der hohen strukturellen Qualität der Keimkristalle zeigen. Dieses Verfahren bietet die Grundlage, durch die Züchtung mehrerer Kristallgenerationen eine Durchmesseraufweitung auf industriell relevante Größen von 1-2" zu erreichen. N2 - Within the frame of the dissertation a growth process based on the PVT method was developed in order to ensure the fabrication of bulk AlN crystals with high structural quality. Essential prerequisites are a thermal and chemical stable crucible material, an AlN source material with oxygen concentrations <300 ppm and AlN seeds with high crystalline perfection. Among the tested potential crucible materials (BN, TaC, TaN, NbC, NbN, TaB2, W), only TaC and to a lesser extend W are stable under AlN growth conditions and were used in the further growth experiments. A carbothermic reduction process was developed in order to decrease the oxygen impurity content in the AlN source material effectively. The residual oxygen concentrations were <300 ppm. AlN seed crystals for the use in homoepitaxial bulk growth runs were produced by heteroepitaxial growth on SiC substrates and by spontaneously nucleated freestanding AlN crystals. The structural quality of the heteroepitaxially grown AlN templates strongly depends on the SiC polarity. The growth of C polar and Si polar SiC results in etch pit densities in the grown AlN in the range of 5*10^4 -10^6 cm^(-2) and 5*10^6 -10^7 cm^(-2), respectively. For both substrate polarities models of the initial growth stages were developed. AlN crystals with up to 35 mm in diameter were grown, but the tendency to cracking and the high Si concentrations (several percent) reduce the crystal quality. However, a very high structural perfection can be obtained by spontaneously nucleated and freestanding grown AlN crystals. At nucleation temperatures of 2200 °C isometric crystals with up to 12*12*14 mm^3 could be grown. The crystals exhibit a zonar structure which is characterized by a core area and an edge region. The core area is grown in the [000-1] direction and reveals dislocation densities <10^2 cm^(-2). The edge region is grown perpendicular to the core area. The dislocation densities are here between 10^2 and 10^4 cm^(-2). (000-1) seeds with high structural perfection were prepared from spontaneously nucleated isometric AlN crystals and used for homoepitaxial growth experiments. With support of numerical simulations of the thermal field an adapted seed holder was developed which ensure a slightly convex-shaped thermal field at the seed and suppress the parasitic growth around the grown single crystal. Thus, bulk AlN crystals could be homoepitaxially grown with smooth expansion of the crystal diameter while maintaining the high structural quality of the seed crystals. This procedure provides the basis to achieve industrial relevant sizes of 1-2" in future by subsequent homoepitaxial growth runs. KW - Transport KW - Gasphase KW - Kristallwachstum KW - Gasphasenzüchtung KW - Volumenkristallzüchtung KW - Nitrid-Halbleiter KW - Substrat KW - Vapour growth KW - Bulk growth KW - Nitride semiconductor KW - Substrate Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28992 ER - TY - THES A1 - Zwierz, Radoslaw T1 - Plasma enhanced growth of GaN single crystalline layers from vapour phase T1 - Plasmaunterstützte Züchtung von einkristallinen GaN-Schichten aus der Gasphase N2 - Gallium nitride (GaN) is a III-V semiconductor, characterized by direct, wide band gap of 3.4 eV at RT. As a material of particular interest for opto- and power electronics applications, it has been thoroughly studied in recent years. Utilization of GaN homoepitaxy in manufacturing of laser diodes (LDs), light-emitting diodes (LEDs), power devices, etc. would be beneficial in terms of reducing defect density, thus improving their lifetime and performance. Yet cost-effective process for providing native GaN substrates has not been established so far. The focus of this work is put on development of a new method to grow single crystalline GaN layers from Ga vapour. Our approach exploits microwave (MW) plasma as a source of excited nitrogen species, in contrast to classical physical vapour transport (PVT)-based technique, in which ammonia (NH3) serves as a source of reactive nitrogen. Novelty of MW plasma enhanced growth of GaN from vapour lies in MW nitrogen plasma formation in the vicinity of the seed, at moderate pressure (200 – 800 mbar range), and concurrent physical vapour transport of Ga to the growth zone. Simulations of the growth setup (HEpiGaN software) and of the MW plasma source (CST Microwave software) have followed the extensive investigations of material properties. The growth setup and the MW plasma source, with the resonance cavity being its crucial part, have been constructed and implemented into the existing growth reactor. The stability of MW plasma in function of temperature and pressure has been studied along with its influence on the seed temperature, and thus on the growth conditions. Furthermore, optical emission spectroscopy (OES) has been utilized for in-situ characterization of the growth atmosphere. Studies on the interaction of Ga vapour with the nitrogen discharge were interpreted on the basis of the level structure of lower excited states of Ga. Deposition experiments have been conducted, using sapphire seeds, GaN, AlN and AlGaN templates, while GaN single crystalline layers have been grown on sapphire and GaN templates. Characterization of GaN layers have been done by various methods, i.e. structure of layers by scanning electron microscopy (SEM), their composition by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and secondary ion mass spectrometry (SIMS), and crystal quality by high resolution X-ray diffraction (HRXRD). Results of the characterization together with outcome of OES measurements revealed importance of carbon for the sub-atmospheric MW plasma enhanced growth of GaN from vapour. In addition, this fact was confirmed by experiments in the setup with reduced carbon content. Possible routes for GaN synthesis have been discussed, with the most probable being CN-assisted GaN formation. While CN was detected in the plasma spectra, there was no evidence for the existence of GaN molecules in vapour phase. N2 - Galliumnitrid (GaN) ist ein III-V-Halbleiter, der durch seine direkte, breite Bandlücke von 3.4 eV bei Raumtemperatur gekennzeichnet ist. Als Material von besonderem Interesse für Anwendungen in der Opto- und Leistungselektronik, wurde es in den letzten Jahren umfangreich untersucht. Die Verwendung der GaN-Homoepitaxie in der Herstellung von Laserdioden (LDs), Leuchtdioden (LEDs), Leistungsbauelementen etc. wäre günstig bezüglich der Verringerung die Defektdichte, um ihre Lebensdauer und Leistung zu verbessern. Ein kostengünstiges Verfahren zur Bereitstellung von GaN-Eigensubstraten wurde jedoch bisher nicht etabliert. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Züchtungsmethode um einkristalline GaN-Schichten herzustellen. Unsere Vorgehensweise nutzt Mikrowellen (MW)-Plasma als Quelle angeregter Stickstoff-Spezies, im Gegensatz zu dem klassischen physikalischen Gasphasentransport (PVT) basierten Verfahren, in dem Ammoniak (NH3) als Quelle für reaktiven Stickstoff dient. Die Neuheit des MW-Plasmas gestützten Wachstums von GaN aus Gallium(Ga)-Dampf liegt in der MW-Plasmaerzeugung in der Nähe des Keims bei mittlerem Druck (200 - 800 mbar) und gleichzeitigen physikalischen Transport von Ga-Dampf in die Wachstumszone. Den Simulationen des Aufbaus (HEpiGaN Software) und der MW-Plasmaquelle (CST Microwave Software) folgten die umfangreichen Untersuchungen der Materialeigenschaften. Der Aufbau und die MW-Plasmaquelle, die als wesentliche Komponente den Hohlraumresonator enthält, wurden konstruiert und in den vorhandenen Wachstumsreaktor implementiert. Die Stabilität des MW-Plasmas als Funktion von Temperatur und Druck wurde zugleich mit ihrem Einfluss auf die Keimtemperatur und damit auf die Wachstumsbedingungen untersucht. Außerdem wurde die Optische Emissionsspektrometrie (OES) zur in-situ Charakterisierung der Wachstums-Atmosphäre verwendet. Die Wechselwirkung des Ga-Dampfes mit der Stickstoffentladung wurde auf der Basis der Energieniveau-Struktur der unteren angeregten Ga-Zustände interpretiert. Die Abscheidungs-Experimente wurden unter Verwendung von Saphir-Keimsubstraten, GaN- , AlN- und AlGaN–Templates durchgeführt. Die GaN-Schichten wurden auf Saphir-Keimsubstraten und auf GaN-Templates gewachsen und mit verschiedenen Methoden charakterisiert: die Struktur mit der Rasterelektronenmikroskopie (SEM), die Zusammensetzung mit der Energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) und der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) und die Kristallqualität mit der hochauflösenden Röntgenstrukturanalyse (HRXRD). Die Ergebnisse der Charakterisierung zeigten zusammen mit den Resultaten der OES-Messungen die Bedeutung von Kohlenstoff für das MW-Plasma gestützte, subatmosphärische Wachstum von GaN aus der Gasphase. Zusätzlich wurden sie durch die Experimente im Aufbau mit reduziertem Kohlenstoffgehalt bestätigt. Mögliche Wege der GaN-Synthese wurden diskutiert, wobei die CN-unterstützte GaN-Bildung der wahrscheinlichste ist. Während CN in den Plasmaspektren nachgewiesen wurde, gab es keine Beweise für die Existenz von GaN-Molekülen in der Dampfphase. KW - GaN KW - Vapour growth KW - Microwave plasma KW - Züchtung aus der Gasphase KW - Plasma KW - Galliumnitrid KW - Gasphase KW - Plasma Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-30710 ER -