Effect of point defects and dislocations on electrical and optical properties of III-V semiconductors [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Haile Lei

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• Publié par: martin-luther-universitat_halle-wittenberg
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 45
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

Mathematisch Naturwissenschaftlich Technische Falcult t
der Martin-Luther-Universit t Halle Wittenberg
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
vorgelegt von
Haile Lei
geboren am 20. 08. 1975 in Mianzhu, China
Gutachter:
1. Priv.-Doz. Dr. Hartmut S. Leipner, Martin-Luther Universit t, Halle
2. Prof. Dr. Ulrich M. G sele, Max-Planck Institut, Halle
3. Prof. Dr. J. R. Niklas, TU Bergakademie, Freiberg
Halle, November 2003
urn:nbn:de:gbv:3-000005620
[http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn=nbn%3Ade%3Agbv%3A3-000005620]

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!"Raman-, Katodolumineszenz- und Transmissionselektronenmikroskopie, sowie Positronenannihi-
lation wurden eingesetzt, um den Ein uss von Punktdefekten wie Dotierungsatome, Galliumleer-
stellen, Leerstellenkomplexe und Versetzungen auf die elektrischen und optischen Eigenschaften
der III V-Halbleiter GaAs und GaN zu untersuchen. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Wechsel-
wirkung von Punktdefekten mit Versetzungen. Ein sogenanntes Diffusions Drift Aggregrations-
Modell (DDA-Modell) wurde entwickelt, um die mikroskopischen kinetischen Prozesse der Punkt-
defekte bez glich ihrer Wechselwirkungen mit Versetzungen zu beschreiben. Computersimulatio-
nen auf der Grundlage des DDA-Modells wurden durchgef hrt. Diese ergaben, dass die konven-
tionelle Cottrellatmosph re die Aggregation von Punktdefekten an einer Versetzung nicht immer
korrekt beschreiben kann. Es ist die Bildung von Arsenausscheidungen an der Versetzung, die in
einem r umlich ausgedehnten Anstieg der Dichte freier Elektronen an der Versetzung im Vergle-
ich zur Matrix in n-Typ GaAs:Si und GaAs:S resultiert, wie es in Messungen mittels Ramanstreu-
ung gefunden wurde. Das Auftreten von Arsenausscheidungen kann sowohl kinetisch mit dem
DDA-Modell als auch energetisch aus molekulardynamischen Simulationen begr ndet werden.
Die Aggregation von Punktdefekten an Versetzungen in n-Typ GaAs h ngt ab von der Zeit der
thermischen Behandlung, der Temperatur, dem Arsendampfdruck und der Dotierungskonzentra-
tion. Die rtliche Variation der Lumineszenz von der Matrix zur Versetzung wird erkl rt durch
die Ber cksichtigung der Punktdefektagglomeration an Versetzungen. Die Unterschiede in den
Lumineszenzb ndern f r niedrige und hohe Dotierungskonzentrationen wurden analysiert. Die
entsprechenden Defekte wurden identi ziert und ihre Energieniveaus in der Bandl cke bestimmt.
Galliumleerstellen-Komplexe wurden verantwortlich gemacht f r die Bande der gelben Lumi-
neszenz bei 2,2 eV in n-Typ GaN. Ihre Anreicherung an Versetzungen wird in Beziehung gesetzt
zum Abfall in der Konzentration freier Elektronen an der Versetzung, wie er in Raman- und
Katodolumineszenzmessungen gefunden wurde.
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ABDCFEHGRaman scattering, cathodoluminescence (CL), transmission electron microscopy (TEM) as well as
positron annihilation technique (PAT) have been applied to investigate the effect of point defects,
such as dopants, gallium vacancies, and vacancy-related complexes, and dislocations on electrical
and optical properties of III V compound semiconductors, GaAs and GaN by concentrating on
the interactions of point defects with dislocations. A so-called diffusion drift aggregation (DDA)
model has been developed to describe the microscopic kinetic processes of point defects due to
the interactions between them and dislocations. Computer simulations based on the DDA model
have been carried out to reveal that the conventional Cottrell atmosphere cannot always cor-
rectly describe the aggregation of point defects at the dislocation and it is the formation of arsenic
precipitates at the dislocation that results in the spatially extended increase in the free-electron
concentration from the matrix to the dislocation in n-type GaAs:Si and GaAs:S, as indicated by
Raman scattering. The arsenic precipitation at the dislocation in GaAs is found to be kinetically
and energetically favorable by using the DDA model and molecular dynamics (MD) simulations.
The aggregation of point defects at the dislocation in n-type GaAs is elucidated to depend on
annealing time, temperature, arsenic pressure, and the doping level. The spatial variation of the
luminescence from the matrix to the dislocation has been explained by considering the aggregation
of point defects around the dislocation. The difference of the luminescence bands from the low
doping level to the high doping level has been analyzed and the defects responsible for them have
been identi ed. The energy levels of the corresponding defects in band gap have been determined.
The gallium-vacancy-related complexes have been deduced to be responsible for the yellow lumi-
nescence band at 2.2 eV in n-type GaN. Their aggregation at the dislocation is revealed to result
in the decrease in the free-electron concentration from the matrix to the dislocation by Raman
scattering and cathodoluminescence.
PRQDC5SUTVEDWXS2.1 Atomic structures of dislocations in GaAs and GaN . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Diffusion drift aggregation model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Fermi-level effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4 Arsenic-pressure effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Diffusion mechanisms in the diffusion drift aggregation model . . . . . . . . . 10
2.5.1 Diffusion mechanism in n-type GaAs:Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.5.2 Diffusion in GaAs:S . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 Raman Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1 Fundamental principle of Raman scattering . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2 Selection rule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.3 Electric effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.4 Constituents of Raman spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Cathodoluminescence (CL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 Fundamental principle of CL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.2 Effect of external conditions on CL spectra . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1 Experimental methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.1 Effect of in-grown dislocations on electrical and optical properties . . . . . . . . 35
5.2 GaAs:S with fresh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2.1 Effect of dislocations on the luminescence of GaAs:S with doping levels . 39
5.2.2 TEM observations of fresh dislocations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3 Why are arsenic precipitates formed at . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3.1 Energetic factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.3.2 Kinetic factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4 Computer simulations of spatial distribution of point defects . . . . . . . . . . . 50
5.4.1 Time evolution of the system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.4.2 As-pressure effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1 Luminescence bands in n-type GaAs:Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2 bands in GaAs:S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
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7.1 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
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?1eV?t??yzacrDyV]hd?5bL]hgz??eh{jlbL]Historically, most semiconductor devices have been created on a silicon-based crystal material.
However, a growing number of electronic and optoelectronic devices are now being developed
with requirements that exceed the capabilities of silicon. Lots of applications demand power-
ef cient high performance systems which can operate at high frequencies with lower power con-
sumption and less noise and which can be produced cost-effectively in high volume. As a result,
semiconductor device manufacturers are increasingly using compound semiconductor materials
such as gallium arsenide (GaAs) and gallium nitride (GaN) to improve the performance of semi-
conductor devices and to enable new applications. GaAs has superior electronic and optical prop-
erties for providing high mobility of carriers and low power consumption. Moreover, GaAs-based
devices can operate at microwave frequencies, whereas Si-based devices cannot. At present, GaAs
has been widely used to build devices such as power ampli ers,