Elektrische und optische Charakterisierung von Galliumnitrid

Zusammenfassung

Bei der elektrischen Charakterisierung der untersuchten LPCVD-n-GaN-Schichten stand die Klärung der Herkunft der hohen residuären Dotierung im Vordergrund. Mit Hilfe von SIMS-Untersuchungen wurde gezeigt, daß in allen untersuchten Schichten hohe Konzentrationen von Sauerstoff und Silizium vorkommen. Dabei fällt auf, daß der Grad der Sauerstoffverunreinigung von der Oberfläche zur Grenzschicht zwischen dem Substrat und der Halbleiterschicht stark ansteigt und dort einen 200 nm bis 4 [mikro]m dicken, hoch leitenden Kanal bildet, während die Verunreinigung durch Silizium über die ganze Schicht konstant bleibt. Bei Hall-Messungen an diesen Schichten wird im Vergleich zu der realen Dichte an der Oberfläche immer eine höhere Trägerdichte für die Probe gemessen. Begründet ist dies in der integralen Bestimmung der Ladungsträgerkonzentration über die ganze Schicht bei Hall-Effekt-Messungen. Abhilfe schafft hier das sogenannte "Zwei-Schichten-Modell". Damit ist es möglich, aus den integralen Hall-Daten die effektive Ladungsträgerdichte an der Oberfläche zu bestimmen. Außerdem kann mit dem Modell die Bindungsenergie des Donators bestimmt werden. Aus den in dieser Arbeit betrachteten Hall-Messungen ergibt sich für den Donator in den untersuchten Schichten eine Bindungsenergie von 35±3 meV. Anhand der SIMS-Profile ist diese Bindungsenergie dem Sauerstoffdonator zuzuordnen. Damit ist es gelungen, Sauerstoff eindeutig als den verantwortlichen Donator für die residuäre Dotierung in n-GaN zu identifizieren.

Der mit Hilfe der Hall-Meesungen identifizierte metallisch leitende Kanal am Interface konnte ferner mit Photolumineszenzmessungen, Kathodolumineszenz- sowie Raman-untersuchungen an den LPCVD-Proben eindeutig nachgewiesen werden.

Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung der Photoleitfähigkeit von p-GaN, insbesondere der Unterschied zwischen MOVPE- und MBE-Schichten. Beim Vergleich der Photolumineszenzspektren von MBE- und MOVPE-p-GaN zeigen sich deutliche Unterschiede. Die Spektren von MBE-Schichten weisen eine starke Lumineszenz bei 3.27 eV auf. Dieser Lumineszenz wird einem DAP-Übergang zwischen dem Sauerstoffdonator mit 35 meV und dem Magnesiumakzeptor zugeordnet. Bei schwach p-dotierten MOVPE-Schichten beobachtet man ebenfalls diesen Übergang, der jedoch im Vergleich zur MBE deutlich schwächer ausfällt. Bei stark dotierten Schichten ist nur noch eine Lumineszenz bei 2.9 eV zu beobachten. Dieser Effekt erklärt sich mit der Selbstkompensation von MOVPE-Schichten bei starker p-Dotierung. Dabei bildet sich 200 meV unterhalb des Leitungsbandes ein als Donator wirkender Stickstoff-Magnesiumkomplex aus. Bei den beobachteten Photostromtransienten für eine Zeitskala zwischen 5x10^-5 und 1x10^-3 s und einem Temperaturbereich von 200 bis 400 K zeigt sich, daß sowohl bei MBE- als auch bei MOVPE-Proben der Transient aus zwei unterschiedlich schnellen Rekombinationskanälen besteht.