MOVPE and characterization of GaN-based structures on alternative substrates

Dikme, Yilmaz; Heuken, Michael

doi:1558

MOVPE and characterization of GaN-based structures on alternative substrates = MOVPE und Charakterisierung von GaN-basierenden Schichtstrukturen auf alternativen Substraten

Dikme, Yilmaz

2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Yilmaz Dikme

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangV, 130 Bl. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heuken, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-06-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-15589
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52498/files/Dikme_Yilmaz.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; MOVPE (frei) ; GaN (frei) ; AlN (frei) ; AlGaN (frei) ; InGaN (frei) ; Si (frei) ; LiAlO2 (frei) ; SiCOI (frei) ; HEMT (frei) ; MQW (frei) ; LED (frei) ; DBR (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
III-V-Verbindungshalbleiter aus dem Materialsystem AlGaInN sind wegen ihrer hohen chemischen und thermischen Stabilität und auf Grund ihres Bandabstands zwischen 0,8 eV und 6,2 eV sowohl für den Einsatz in elektronischen Hochfrequenz- und Hochleistungsbauelementen als auch in Lichtemittern, die derzeit den grünen, blauen und ultravioletten Spektralbereich abdecken, geeignet. In elektronischen Bauelementen wird insbesondere auf Grund der besonderen Polarisationseigenschaften die Möglichkeit ausgenutzt, 2-dimensionale Elektronengase (2DEG) an Heteroübergängen mit hohen Ladungsträgerkonzentrationen zu bilden. Besondere Herausforderungen für die Epitaxie von GaN-basierenden Schichtstrukturen ergeben sich aus der Tatsache, dass GaN-Substrate nicht für den industriellen Gebrauch zur Verfügung stehen und somit das Kristallwachstum weitestgehend auf die Heteroepitaxie limitiert ist. Als Substrate werden zurzeit im Wesentlichen Saphir und Siliziumkarbid (SiC) eingesetzt. Bei konventionellen Wachstumstechniken zeigen die deponierten Schichten Versetzungsdichten im Bereich von 10E8 bis 10E10 cm-2. Wegen nicht ausreichender Materialqualität der Epitaxieschichten für Laser und lichtstarke Leuchtdioden (LED) und auf Grund bauelementdegradierender Einflüsse der Substrate ist man stets bemüht, alternative Substrate als Trägermaterialen für die Gruppe III-Nitridhalbleiter sowie auch neue Pufferkonzepte für den optimierten Übergang vom Substratmaterial zu den Nitridschichten zu erforschen und in kommerziellen Bauelementen einzusetzen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Wachstumsexperimente von GaN-basierenden Schichten auf Silizium (Si), Lithiumaluminat (LiAlO2) und SiCOI (einem Verbundsubstrat aus SiC, Siliziumoxid und Si) durchgeführt. Substratspezifische Reinigungs-, Präparations- und Wachstumsprozeduren wurden erarbeitet, und die relevanten physikalischen Vorgänge konnten identifiziert werden. Wegen der im Allgemeinen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und Gitterkonstanten von GaN und den verschiedenen Substrattypen sowie der sehr hohen Depositionstemperaturen von über 1000°C sind aufwändige Zwischenschichten notwendig, die einen Übergang vom Substrat zum GaN schaffen und dabei Risse in der Epitaxieschicht oder eine zu starke Verbiegung des Substrats auf Grund der Schichtverspannung verhindern. Die entwickelten Strukturen wurden optisch, kristallographisch und elektrisch charakterisiert und bildeten die Basis für die Herstellung elektronischer und optoelektronischer Bauelemente. Auf Si konnten AlGaN/GaN-Transistorstrukturen, verteilte Bragg-Reflektor (DBR)-Strukturen aus AlN/GaN und Mehrfach-Potenzialtopfstrukturen aus InGaN/GaN hergestellt werden. Die Transistorstrukturen zeigen hohe Leistungsdichten und waren vergleichbar mit industriell hergestellten Bauelementen. Mit den DBR-Strukturen konnte zusätzlich zur Reflektion eines bestimmten Wellenlängenbereiches der positive Einfluss auf die folgende GaN-Pufferstruktur festgestellt werden. Erstmalig konnte an InGaN/GaN-Potenzialtopfstrukturen auf Si mittels optischer Anregung Laseraktivität erzielt werden, und niedrige Laserschwellen und eine sehr hohe maximale Betriebstemperatur konnten unter Beweis gestellt werden. Auf LiAlO2 ist es möglich, GaN mit einer anderen Kristallorientierung abzuscheiden, die keine Polarisation in Wachstumsrichtung aufweist. Es wurde zunächst eine spezielle Übergangsschichtstruktur entwickelt, die als Basis für die Abscheidung von LED-Schichtstapeln diente. Bei der LED wurde erstmals Elektrolumineszenz auf einem LiAlO2-Substrat demonstriert. Mit SiCOI als Substratmaterial ist es möglich, Wachstumsprozeduren zu transferieren, welche für die Epitaxie von GaN-basierenden Schichten auf SiC entwickelt worden sind. Auf SiCOI wurden erfolgreich Transistor- und LED-Strukturen hergestellt und charakterisiert.

III-V-compound semiconductors based on the AlInGaN material system offer high chemical and thermal stability and bandgaps between 0.8 eV and 6.2 eV. They are suited for high frequency and high power devices as well as for light emitting diodes, which currently cover the ultra violet to green spectral region. In electronic devices the polarization properties are used to achieve a 2-dimensional electron gas (2DEG) with a high sheet carrier density at the hetero interface. A challenge for GaN-based epitaxy is the unavailability of commercial GaN-substrates for industrial use with an adequate price and therefore the growth is widely limited to heteroepitaxy, which is crystal growth on substrates of another material. Sapphire and silicon carbide (SiC) are the most commonly used substrates for GaN-based epitaxy. By using conventional growth techniques the grown layers exhibit dislocation densities in the range of 10E8 to 10E10 cm-2. Due to the limited layer quality of the deposited layers, which is not sufficiently good for the growth of laser diodes (LD) or high brightness LED and because of device degrading influences of the substrate material, the research on alternative substrates for GaN-based growth is important. This study involves growth experiments of GaN-based layer structures on silicon (Si), lithium aluminate (LiAlO2) and the composite substrate SiCOI. Substrate specific preparation and growth procedures were developed. Because of the different lattice constants and thermal expansion coefficients between GaN and the substrate materials and because of the high depositions temperatures (> 1000°C) complex interlayers are required to create a crossover from the substrate to the GaN layer and to prevent substrate/layer bowing and cracks developing in the epitaxial layers. Crystallographic, thermal and electronic properties of these materials were investigated and the developed layers were used as buffer layers for electronic and opto electronic devices. On Si AlN/GaN distributed Bragg reflectors (DBR), InGaN/GaN multiple quantum well (MQW) and AlGaN/GaN HEMT (high electron mobility transistor) were demonstrated. The transistor structures showed high power densities, which were comparable to industrially fabricated devices. As well as the reflection of a certain wavelength region, the DBR layers additionally showed positive influence on succeeding GaN top layer optical properties. For the first time laser emission of an optically pumped InGaN/GaN MQW on Si was demonstrated with low excitation density and a high operating temperature. GaN-based structures were deposited on LiAlO2 in the m-plane crystal orientation; that do not exhibit polarization mechanisms in growth direction. For the deposition of coalesced GaN films a seal-coating of the LiAlO2 surface was developed and finally LED structures were grown on these substrates. For the first time electroluminescence of LED structures on LiAlO2 was achieved. The growth on the composite substrate SiCOI was initiated with an HT AlN layer and it was demonstrated that SiCOI is comparable to a bulk SiC substrate for the GaN-based epitaxy. The developed and investigated layer structure served as buffer for the deposition of InGaN/GaN LED structures and AlGaN/GaN HEMT.

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