MOVPE growth and characterization of Cr-doped GaN

Cho, Yong Suk; Lüth, Hans

doi:HT015461110

MOVPE growth and characterization of Cr-doped GaN = MOVPE Wachstum und Charakterisierung von Cr-dotiertem GaN

Cho, Yong Suk

2007 & 2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yong Suk Cho

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2007

UmfangXVII, 157 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Prüfungsjahr: 2007. - Publikationsjahr: 2008

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lüth, Hans (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-12-07

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-21143
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/49957/files/Cho_Yong_Suk.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik (500000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MOCVD-Verfahren (Genormte SW) ; Nitride (Genormte SW) ; Magnetoelektronik (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MOVPE (frei) ; GaN (frei) ; Spintronics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einbau von Cr beim Wachstum von GaN mit dem Ziel, einen verdünnten magnetischen Halbleiter herzustellen, der ferromagnetisch bei Raumtemperatur ist. Zum ersten Mal wird das Wachstum in der metallorganischen Gasphasenepitaxie durchgeführt und der Einfluss von Wachstumstemperatur, Gasatmosphäre, Einlass der Quellenverbindungen sowie deren Partialdruckverhältnis auf Einbau und Schichteigenschaften untersucht. Auch wird die Frage nach der Nützlichkeit einer undotierten GaN-Pufferschicht und eines Temperschrittes nach der Epitaxie gestellt. Zunächst wurde der Einfluss der Gasatmosphäre auf das Wachstum einer undotierten GaN-Schicht untersucht. Der Wachstumsmechanismus wurde durch die Reaktionsatmosphäre verändert und führt zu einer Erhöhung der Versetzungsdichte und des Schichtwiderstandes. Das Ergebnis der Arbeit mit Hinblick auf Cr-Dotierung in GaN ist, dass die Schichten bei niedriger Wachstumstemperatur in einer Gasatmosphäre, die Wasserstoff enthält, auf einer undotierten Pufferschicht mit invertiertem Quellenverbindungseinlass am besten hergestellt werden, um Koaleszenz in der Schicht zu erhalten. Die bei 950°C hergestellte Schicht zeigte eine glatte Morphologie und gesteigerten Cr-Einbau sowie Ferromagnetismus bei Raumtemperatur. Eine Curie-Temperatur von 620 K wurde ermittelt. Ein noch höheres Cr/Ga-Verhältnis führt zu gesteigerten Cr-Einbau und einer noch höheren Magnetisierung. Die Verwendung eines Temper-Schrittes bei 700°C unmittelbar nach der Epitaxie ist von Vorteil für die magnetischen Eigenschaften.

In this thesis chromium (Cr) incorporation during GaN growth by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) was studied for the first time with the intention of producing a dilute magnetic semiconductor (DMS) with room temperature ferromagnetism. To this end the following growth parameters were investigated and optimized: carrier gas, precursor access and ratios, and growth temperature as well as post growth annealing. Also the effect of different H2/N2 carrier gas ratios on the undoped GaN buffer layer was explored. The N2 content in the carrier gas affected the growth mechanism of the GaN layer. The threading dislocation density as well as the sheet resistance increases with N2 content in the carrier gas. Cr-doped GaN (GaN:Cr) layers were grown on the optimised undoped GaN buffer layer. Uniform Cr distribution, good surface morphology and room temperature ferromagnetism were to be obtained. The inverted precursor access to the substrate promoted high Cr incorporation efficiency. A certain amount of H2 in the carrier gas was necessary to obtain coalesced surface morphology of GaN:Cr layers. The GaN:Cr layer grown at 950°C exhibited smooth surface morphology and enhanced Cr incorporation into the layer as well as ferromagnetic behaviour at room temperature. The Curie temperature (TC) was determined to be about 620 K. A high Cr/Ga source ratio increases the Cr concentration in the GaN:Cr layers and also increases the thermo-remanent magnetization. The use of post growth annealing at 700°C is advantageous for the magnetic properties.

Fulltext:
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