Understanding and optimization of InN and high indium containing InGaN alloys by metal organic chemical vapor deposition

Tuna, Öcal; Heuken, Michael

doi:4691

Understanding and optimization of InN and high indium containing InGaN alloys by metal organic chemical vapor deposition = Verständnis und Optimierung von InN und InGaN-Legierungen mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie

Tuna, Öcal (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Öcal Tuna

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangIII, 159 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heuken, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-07-18

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-46919
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/229535/files/4691.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet GaN-Bauelementtechnologie (612020)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MOCVD-Verfahren (Genormte SW) ; Gasphasenepitaxie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MOCVD (frei) ; InN (frei) ; InGaN (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Unter den Gruppe-III-Nitrid Verbindungshalbleitern besitzt InN mit 0,64 eV den geringsten Bandabstand. Das InGaN Materialsystem hat dadurch an Bedeutung gewonnen, dass man nur durch Variation des In-Gehalts das gesamte Sonnenspektrum abdecken kann. Trotz der vielversprechenden Eigenschaften wurde das Material erst wenig erforscht, was in direktem Zusammenhang mit der schwierigen Herstellung von qualitativ hochwertigen InGaN Schichten steht. Die in der MOCVD verwendete Stickstoffquelle NH3 besitzt eine sehr hohe Dissoziationstemperatur, die im Widerspruch zur geringen Zerlegungstemperatur von InN (560°C – 570°C) steht. Auf der anderen Seite ist die MOCVD aber die wichtigste Produktionstechnologie für Verbindungshalbleiter und damit die Grundlage für die Kommerzialisierung von Bauelementen auf In(Ga)N Basis. Deswegen liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Untersuchung und Optimierung der MOCVD Technologie für das Wachstum von qualitativ hochwertigen n- und p-dotierten InN und In-reichen InGaN Schichten für die Anwendung in Bauelementen. Für die Untersuchung der Materialeigenschaften kamen u.a. Röntgenbeugung (XRD), Positronen Annihilations Spektroskopie (PAS), Raman Spektroskopie, Photolumineszenz (PL) und elektrochemische Kapazitäts-Spannungs-Messungen (ECV) zum Einsatz. Zuerst wurde der Einfluss der wichtigsten MOCVD Wachstumsparameter (Wachstumstemperatur und V/III-Verhältnis) auf die InN Schichteigenschaften untersucht. Die Parameter wurden bezüglich der best möglichen strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften optimiert. Mittels PAS wurden durch Fehlstellen generierte Punktdefekte im Material analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass durch N-Fehlstellen isolierte In-Fehlstellen einen entscheidenden Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des InN haben. Die Raman und PL Ergebnisse, wurden verwendet, um die Konzentration an freien Ladungsträgern in den InN Schichten abzuschätzen. Zusätzlich wurden Hall-Messungen durchgeführt. Alle drei Messmethoden haben den gleichen Trend aufgezeigt, allerdings gab es signifikante Unterschiede zwischen den Messwerten aus den optischen Methoden und der Hall Messung. Nach bestem Wissen des Autors, ist der aus den optischen Methoden bestimmte Wert von 9.0x1017 cm-3 die niedrigste bisher veröffentlichte Ladungsträgerkonzentration für MOCVD InN. Der Unterschied zwischen optischen und elektrischen Messmethoden liegt an einer Verfälschung der elektrischen Messungen durch Parallelleitung an der Oberfläche und in der Grenzschicht zwischen Substrat und InN Schicht. Der aus den PL Messungen bestimmte Bandabstand ist mit ~ 0,78 eV in guter Übereinstimmung mit Werten aus anderen Arbeiten, wenn man die hohe Hintergrundladungsträgerkonzentration und die Burstein-Moss-Verschiebung berücksichtigt. Für das Wachstum von InxGa1-xN Schichten (XIn = 0,40 – 0,85) wird mit dem Einfügen einer dünnen InN-Schicht zwischen GaN-Puffer und InGaN-Schicht ein neuer Ansatz vorgeschlagen, um die In-Einbaueffizienz zu erhöhen. So konnte der In-Gehalt in einer InGaN Schicht, bei gleichen Wachstumsparametern, von 74% auf 85% gesteigert werden. Da üblicherweise der In-Einbau nur über eine Reduktion der Wachstumstemperatur, mit den bekannten negativen Folgen, erreicht werden kann, ist das ein wichtiges Ergebnis. Zudem wurden die Bandverbiegungen in InGaN untersucht und deren Einfluss auf die Elektronenanreicherung an der InGaN Oberfläche. Sie nimmt mit abnehmendem In-Gehalt ab und schlägt bei XIn = 0,20 in eine Verarmung um. Der letzte Abschnitt befasst sich mit einer Studie bezüglich der Materialeigenschaften von Mg-dotiertem InxGa1-xN. Bei Verwendung von niedrigen Tempertemperaturen (750°C) konnte mit XIn = 0,18 p-Leitung demonstriert werden. Die Löcherkonzentration lag bei 3.5x1018 cm-3. Temperaturaufgelöste PL hat für Mg in In0.18Ga0.82N:Mg eine Aktivierungsenergie von ungefähr 80 meV ergeben, was deutlich unter der von Mg in GaN:Mg von 160 meV liegt. Dies bedeutet, dass man für die Mg-Aktivierung in InGaN geringere Tempertemperaturen verwenden kann. Damit ist dieses Material interessant als Ersatz für die GaN:Mg Deckschicht in LED Strukturen, weil hier die nötigen höheren Wachstumstemperaturen und das Hochtemperaturtempern kritisch für die Degradation der LED Struktur sind. Der Effekt der Mg-Konzentration auf die Leitfähigkeit der In(Ga)N Schichten wurde mittels Proben mit unterschiedlichem Mg-Gehalt untersucht. Die ECV Messungen haben gezeigt, dass in allen Proben vergrabene p-dotierte Schichten vorhanden waren. Diese wurden in den In-reichen Schichten aber verdeckt durch die Elektronenanreicherung an der In(Ga)N Oberfläche, welche wiederum stark abhängig ist von der In-Konzentration. Die Art der dominierenden Ladungsträger hängt von der Mg-Konzentration ab. Bei zu hohen Mg-Konzentrationen bilden sich Komplexe aus Mg-Atomen und N-Fehlstellen, die sich wie Donatoren verhalten. Deswegen kehrt sich bei hohen Mg-Konzentrationen die p-Dotierung in eine n-Dotierung um.

Among the III-nitride semiconductors (Ga, Al, In) N, InN is the most attractive one due to having the narrowest bandgap of 0.64 eV. The revision in the bandgap of InN makes the InGaN more important since one can cover the whole solar spectrum by only changing In composition in an InGaN layer. The comparison of quality of InN and InGaN layers grown using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) and a molecular beam epitaxy (MBE) methods indicate that growth with MOCVD is the more challenging, again due to the high dissociation temperature of NH3 relative to the low decomposition temperature of InN (560-570 oC). However, there is significant interest in developing an MOCVD process for InN and InGaN growth since MOCVD technology is the technology currently in use for commercial fabrication of group III nitride thin films. This thesis is therefore focused on a study of MOCVD growth of n- and p-type InN and In-rich InGaN films with the goal of providing new information on the influence of growth conditions on the film properties. Initially, a detailed investigation of MOCVD of InN is given. It is shown that MOCVD growth parameters (growth temperature and V/III ratio) have impacts on the layer properties such as In droplet formation on the surface as well as on its electrical and optical properties. PAS is employed for point defect analyzation. It is shown that In vacancies isolated by nitrogen vacancies are the dominant vacancy-type positron traps in InN. A decrease in the N vacancy concentration in InN is observed as a result of the growth temperature increase from 500 to 550 oC. This is an indication of a reduction of N vacancy concentration by enhancing NH3 dissociation at high growth temperature. Results obtained from optical techniques (Raman and PL) are used to estimate the free carrier concentrations in InN. Electrical characterizations are also carried out using Hall measurements. Carrier concentration values obtained by these three techniques revealed a similar trend in regard to the change of the V/III ratio. However, a huge difference with the carrier concentrations obtained by Hall and optical techniques is found. For the samples grown at a V/III ratio of 111k, a carrier concentration estimated by optical techniques is in the range of 9.0x1017 cm-3 compared to 6.0x1018 cm-3 found by Hall measurement. The huge difference in carrier concentrations obtained by the optical and Hall measurements is caused by parallel conductivity. The surface accumulation layer on InN and defects at the interface between InN/GaN dominates the Hall measurement results. Following InN, InxGa1-xN layers with various In content ranging from 40% to 85% are grown and investigated. A new approach is proposed in order to enhance the In incorporation in InGaN layer, based on growing InGaN directly on thin InN interlayer on the GaN templates. With this method In incorporation is enhanced by In segregation from thin InN interlayers to InxGa1-xN layers. As a result of this approach, an additional 11% increase of In content in InGaN is achieved. For instance, while without the InN interlayer, the In content is about 74%, it increased to 85% when the InN interlayer is grown. Band bending and the related surface electron accumulation on the surface of InxGa1-xN are investigated. A decrease in surface electron accumulation is observed with increasing Ga content, and the transition from an accumulation to a depletion layer is observed at XIn=20. Finally, synthesis and a systematic study of structural, optical and electrical properties of Mg-doped InxGa1-xN layers are studied. At a low annealing temperature of 750 oC, p-type conductivity is achieved for InGaN with 18% In. It is demonstrated that p-type InGaN layers with about 18% In can be grown with an acceptor concentration of 3.5x1018 cm-3. Temperature dependent PL revealed an activation energy of Mg in In0.18Ga0.82N:Mg is about 80 meV, which is much lower that the activation energy of Mg in Mg-doped GaN which is about 160 meV. The effect of Mg concentration on the conductivity is investigated by growing InN and In-rich InGaN layers doped with different Mg concentrations. ECV results indicated that p-type buried layers exist in all Mg-doped InN and In-rich InGaN layers. As expected, a surface accumulation layer is observed. A strong correlation with amount of surface accumulation and In content in InGaN is obtained. It is also shown that the Mg doping concentration is critical for conductivity type. For instance, in the case of InN:Mg, p-type conductivity is obtained when the InN layers are doped with Mg concentration in the range of 2.6x1020 cm-3, whereas a higher magnesium concentration is shown to result in a completely n-type conduction. In the case of over doping, Mg atoms form complexes with N vacancies which behave as donors and therefore this result in a change in conductivity from p- to n-type.

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