Growth and characterization of M-plane GaN and (In,Ga)N/GaN multiple quantum wells [Elektronische Ressource] / von Yue-Jun Sun

Yue-Jun Sun

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• Publié le: 01 janvier 2004
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• Langue: English
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Extrait

Growthandcharacterizationof M planeGaN
and(In,Ga)N/GaNmultiplequantumwells
DISSERTATION
zurErlangungdesakademischenGrades
doctorrerumnaturalium
(Dr. rer. nat.)
imFachPhysik
eingereichtander
Mathematisch NaturwissenschaftlichenFakult at¨ I
Humboldt Universit at¨ zuBerlin
von
HerrnM.Eng. Yue JunSun
geborenam27.07.1973inLeShan,VR.China
Prasident¨ derHumboldt Universit at¨ zuBerlin:
Prof. Dr. Jur¨ genMlynek
DekanderMathematisch NaturwissenschaftlichenFakult at¨ I:
Prof. Dr. MichaelLinscheid
Gutachter:
1. Prof. Dr. KlausH.Ploog
2. Prof. Dr. W.TedMasselink
3. Prof. Dr. RobertoFornari
eingereichtam: 18.Dezember2003
Tagdermundlichen¨ Prufung:¨ 24. Mai2004Abstract
In this thesis, we investigate the synthesis of wurtzite M plane (In,Ga)N(1 100) heterostructures on γ-
LiAlO (100)byplasma assistedmolecularbeamepitaxy(MBE).Weexaminetheimpactofgrowthcon 2
ditions on the structural, morphological, and optical doping properties of M plane GaN. Furthermore,
wefabricate M plane(In,Ga)N/GaNmultiplequantumwellsandinvestigatetheirstructuralandopti
calproperties. Finally,theincorporationofMgin M planeGaNisstudiedtoachievep typeconductiv
ity.
We start by giving an introduction concerning strain and electrostatic polarization fields. The moti
vation of growth along the [1100] direction, instead of along the conventional [0001] direction is pre
sented. The GaN(1100) plane is nonpolar since it is composed of equal numbers of three fold coor-
dinated Ga and N atoms. Furthermore, GaN is not piezoelectrically active along the [1100] direction.
The resulting absence of electrostatic fields in this direction constitutes a distinct advantage for fabri
catinghigh efficiencylight emittingdiodes(LEDs). Corresponding[0001] orientedstructuresgrownon
conventional substrates such as Al O (0001) and SiC(0001), suffer from a degradation of luminescence2 3
efficiencybythepresenceofbothspontaneousandpiezoelectricpolarizationalongthegrowthdirection.
The properties of the LiAlO substrate with respect to MBE growth are discussed next. The thermal2
stability of LiAlO is demonstrated to be suitable for MBE growth of heterostructures. The polarity of2
LiAlO isfoundtohaveacrucialinfluenceonthephase purityoftheGaNfilms. Thesynthesisofpure2
M planeGaNispreferentiallyachievedononefaceofthesubstrate.
The impact of nucleation conditions on the structural and morphological properties of M plane GaN
films is systematically investigated. Furthermore, a comprehensive study of Ga adsorption and des
orption on the M plane is presented. Optimum growth conditions are established, and high quality
M planeGaNcanbeobtainedreproducibly. Concerningthemicrostructureofour M planeGaNlayers,
stackingfaultsarefoundbytransmissionelectronmicroscopy(TEM)tobethedominantdefects,while
8 10 −2perfect threading dislocations, which are the dominant defects (10 −10 cm ) in C plane GaN, are
notobservedbyTEM.Thecorrelationbetweenthestackingfaultsandtheopticalpropertiesofthefilms
is explored. A strong transition from excitons bound to stacking faults is observed by low temperature
photoluminescencemeasurements.
Thesuccessfulsynthesisof M plane(In,Ga)N/GaNmultiplequantumwells(MQWs)isdemonstrated.
Thecompositionprofilesofthesestructuresareinvestigatedbybothx raydiffractometryandsecondary
ion mass spectrometry. The results reveal significant In surface segregation, resulting in a reduced In
content and much wider wells than intended. The resulting In content of ∼7% is lower than that ob
tained (∼15%) for corresponding C plane structures grown under identical conditions, suggesting a
lower In incorporation efficiency on the (1100) plane compared to the (0001) plane. The dependence of
the transition energies on the well thickness of these M plane quantum wells evidences the absence of
internal electrostatic fields along this growth direction. The recombination dynamics in these MQWs
is investigated in detail, and is found to be strongly influenced by localized states. Furthermore, in
contrastto C plane(0001)structures, astrongin planeanisotropyofthespontaneousemissionwithan
energy dependentpolarizationdegreeofupto96%isobservedinthe M plane(In,Ga)N/GaNMQWs.
Finally,theimpactofthegrowthtemperatureandstoichiometryontheMgincorporationinGaN(1100)
20 −3is investigated. Mg doping levels up to 8×10 cm can be obtained in M plane GaN, with no
observeddegradationincrystalquality. BothMgdiffusionandsurfacesegregationin M planeGaNare
observed. Inaddition,apronounceddependenceoftheOincorporationontheMgdopingisobserved,
and attributed to the high reactivity of Mg with O. Both optical and electrical measurements indicate
thatMgactsasanacceptorintheMg doped M planelayers.
iZusammenfassung
Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Wurtzit M plane (In,Ga)N(1 100) Heterostrukturen auf γ-
LiAlO (100) mittels plasmaunterstutzter¨ Molekularstrahlepitaxie (MBE). Der Einfluß der Wachstums 2
bedingungen auf die strukturellen, morphologischen, und optischen Eigenschaften von M plane GaN
Filmen werden untersucht. Ferner werden M plane (In,Ga)N/GaN Multiquantenwells (MQWs) herge
stellt und deren strukturelle und optische Eigenschaften untersucht. Schließlich wird der Einbau von
Mgin M planeGaNuntersucht,ump Typ Leitf ahigkeit¨ zuerreichen.
Die Arbeit beginnt mit einer Einfuhr¨ ung bezuglich¨ der Verspannung und der elektrostatischen Polari
sationinNitriden.Die Motivationfur¨ dasWachstumin[1100] Richtunganstattinderkonventionellen
[0001] Richtungist,dassdieGaN(1 100) Fl ache¨ nichtpolarist,dasieauseinergleichenAnzahldreifach
koordinierter Ga und N Atome aufgebaut ist. GaN ist uber¨ dies nicht piezoelektrisch in der [1100]
Richtung. Das daraus folgende Fehlen elektrostatischer Felder in dieser Richtung stellt einen klaren
Vorteilfur¨ dieLeistungvonGaN basierendenhocheffizientenLeuchtdioden(LEDs)dar.Entsprechende
[0001] orientierteStrukturen,dieaufkonventionellenSubstratenwieAl O undSiCabgeschiedenwer-2 3
den, leiden unter einer verringerten Effizienz durch die Prasenz¨ der spontanen und piezoelektrischen
PolarisationindieserWachstumsrichtung.
DieEigenschaftendesSubstratsLiAlO inBezugaufdasMBE Wachstumwerdenanschliessenddisku 2
tiert.Eswirdgezeigt,daßdiethermischeStabilitat¨ vonLiAlO fur¨ dasMBE WachstumvonHeterostruk 2
turengeeignetist.DiePolaritat¨ vonLiAlO hateinenentscheidendenEinflußaufdiePhasenreinheitder2
GaN Filme,unddieWahlderrichtigenPolarit at¨ istVoraussetzungfur¨ dieHerstellungvoneinphasigen
M planeGaN Schichten.
In Kapitel 4 wird der Einfluß der Nukleationsbedingungen auf die strukturellen und morphologi
schenEigenschaftenvon M planeGaN Filmensystematischuntersucht.FernerwirddieGa Adsorption
und Desorption ausf uhrlich¨ untersucht. Optimale Wachstumsbedingungen werden etabliert, die es
ermoglichen,¨ M plane GaN Schichten hoher Qualit at¨ reproduzierbar zu erhalten. Die Mikrostruktur
der M plane GaN Schichten, untersucht mittels Transmissionselektronenmikroskopie, ist durch eine
hohe Dichte an Stapelfehlern als dominierenden Defekt gekennzeichnet. Vollstandige¨ Fadenversetzun
gen, die die dominanten Defekte in C plane GaN sind, werden dagegen nicht beobachtet. Die Korre
lation zwischen den Stapelfehlern und den optischen Eigenschaften der Films wird untersucht. Eine
intensive Emissionslinie wird in Tieftemperatur Photolumineszenzspektren beobachtet, die an Stapel
fehlerngebundenenExzitonenzugeordnetwird.
In Kapitel 6 wird die erfolgreiche Synthese von M plane (In,Ga)N/GaN MQWs beschrieben.
Das Zusammensetzungsprofil dieser Strukturen wird mittels Rontgendif¨ fraktometrie und Se
kundarionenmassenspektr¨ ometrie untersucht. Die Ergebnisse belegen eine betrachtliche¨ Ober-
flachensegr¨ egationvonIn,diezueinemerniedrigtenIn GehaltsowiestarkverbreitertenQuantenwells
fuhrt.¨ Der erhaltene In Gehalt von 7% is niedriger als derjenige (15%), der in entsprechenden C plane
Strukturengefundenwird,dieunteridentischenBedingungenhergeselltwurden.DiesesResultatdeu
tet auf eine niedrigere Einbaueffizienz von In auf (1100) verglichen mit (0001) hin. Die Abhangigkeit¨
¨der Ubergangsenergien von der Quantenwellbreite dieser M plane MQWs belegt die Abwesenheit in
ternerelektrostatischer Felderentlang derWachstumsrichtung.DieRekombinationsdynamikindiesen
MQWswirdimDetailuntersucht.SieiststarkvonlokalisiertenZustanden¨ beeinflußt.ImGegensatzzu
C plane Strukturen,wirdindiesen M planeMQWseinestarkePolarisationderspontanenEmissionin
derFilmebenemiteinemenergieabhangigen¨ Polarisationsgradvonbiszu96%beobachtet.
In Kapitel 7 wird der Einfluß der Wachstumstemperatur und der Stochiometrie¨ auf den Mg Einbau
20 −3in GaN(1100) zur p Dotierung untersucht. Eine Mg Konzentration bis zu 8 ×10 cm kann in
M plane GaN Schichten ohne beobachtbare Degradation der Kristallqualit at¨ erreicht werden. Es wird
sowohl eine Diffusion als auch eine Segregation von Mg in M plane GaN beobachtet. Zus atzlich¨ wird
eine ausgepragte¨ Abhangigkeit¨ des O Einbaus von der Mg Dotierung beobachtet, was auf die hohe
Reaktivitat¨ vonMgmitOzuruckgef¨ uhrt¨ wird.SowohloptischealsauchelektrischeMessungenweisen
daraufhin,daßMgindiesen M planeGaN SchichtenalsAkzeptoreingebautwird.
iiPartsofthisworkhavealreadybeenpublishedorsubmitted:
Y. J. Sun,