Anfangsstadien des ionenstrahlgestützten epitaktischen Wachstums von Galliumnitrid-Schichten auf Siliziumkarbid

Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Herstellung ultradünner epitaktischer Galliumnitrid-Schichten auf einem Siliziumkarbid-Substrat mit dem Verfahren der ionenstrahlgestützten Molekularstrahlepitaxie. Für die Analyse der Oberflächentopographie der Galliumnitrid-Schichten direkt nach der Abscheidung – ohne Unterbrechung der Ultrahochvakuum-Bedingungen – wurde ein Rastersondenmikroskop in die Anlage integriert. Als weitere Hauptanalysenmethode wurde die Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen zur Bestimmung der Oberflächenstrukturen in situ während der Schichtabscheidung eingesetzt. Weiterhin wurden die Galliumnitrid-Schichten hinsichtlich ihrer strukturellen Eigenschaften mittels Röntgenstrahl-Diffraktometrie, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie ex situ charakterisiert. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Herausstellung des Einflusses maßgeblicher Abscheidungsparameter (vor allem Substrattemperatur und Gallium-Depositionsrate) auf die Schichteigenschaften sowie die Optimierung dieser Wachstumsparameter. Besonderes Augenmerk lag auf der Untersuchung der Auswirkungen des Stickstoffion-zu-Galliumatom-Verhältnisses und des Einflusses der niederenergetischen Ionenbestrahlung auf das Galliumnitrid-Schichtwachstum im Frühstadium. Dies betrifft hauptsächlich den Wachstumsmodus (zwei- oder dreidimensional) und die Bildung der hexagonalen oder der kubischen Phase.:Kapitel 1 1 Einführung 1 Kapitel 2 5 Grundlagen 5 2.1 Kristallstruktur und Eigenschaften von Galliumnitrid 5 2.2 Wechselwirkung niederenergetischer Ionen mit der Oberfläche 8 2.2.1 Energiefenster für die optimale ionenstrahlgestützte Epitaxie 9 2.3 Einfluss der Teilchenenergie auf die Oberflächenmobilität 11 2.3.1 Strukturzonenmodelle 11 2.3.2 Thermisch induzierte Oberflächenmobilität 13 2.3.3 Ballistisch induzierte Oberflächenmobilität 14 2.4 Herstellungsverfahren 15 2.4.1 Metallorganische Gasphasenepitaxie 15 2.4.2 Molekularstrahlepitaxie 16 2.4.3 Ionenstrahlgestützte Molekularstrahlepitaxie 17 2.5. Schichtwachstum 18 2.5.1 Frühstadium des Wachstums 18 2.5.2 Wachstumsmodi 20 2.5.3 Wachstum an Stufen 21 2.5.4 Ionenstrahlgestütztes GaN-Wachstum 23 2.6 Modellsystem GaN auf 6H-SiC 25 2.6.1 Epitaxiebeziehungen von GaN-Schicht und 6H-SiC(0001)-Substrat 25 2.6.2 Schichtspannungen 28 Kapitel 3 32 Experimentelle Bedingungen 32 3.1 Experimenteller Aufbau 32 3.1.1 UHV-Anlage zur ionenstrahlgestützten Abscheidung 32 3.1.2 Gallium-Effusionszelle 33 3.1.3 Stickstoff-Hohlanoden-Ionenquelle 34 3.1.4 RHEED-System 35 3.1.5 UHV-STM 37 3.2 Probenherstellung 40 3.2.1 Vorbehandlung 40 3.2.2 Abscheide- und Ionenstrahlparameter 41 3.3 Charakterisierung 43 3.3.1 Kristallographische Struktur 44 Reflexionsbeugung hochenergetischer Elektronen 44 Röntgenstrahl-Diffraktometrie 49 Röntgenstrahl-Reflektometrie 52 Transmissionselektronenmikroskopie 53 3.3.2 Oberflächentopographie 54 Rastertunnelmikroskopie 54 Rasterelektronenmikroskopie 56 3.3.3 Chemische Zusammensetzung 57 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie 57 Kapitel 4 59 Ergebnisse und Diskussion 59 4.1 GaN-Wachstum auf 6H-SiC(0001) bei Variation des Ion/Atom-Verhältnisses 59 4.1.1 Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 59 4.1.2 Kristallographische Struktur und chemische Zusammensetzung 63 4.1.3 Diskussion: Einfluss des I/A-Verhältnisses 70 4.2 Inselwachstum: Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 74 4.2.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 75 4.2.2 Einfluss der Substrattemperatur 75 4.2.3 Einfluss der Depositionsdauer 78 4.2.4 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf die Oberflächentopographie der 3D-GaN-Schichten 82 4.3 Inselwachstum: Kristallographische Struktur und Morphologie 84 4.3.1 Morphologie der inselförmigen GaN-Schichten 84 4.3.2 Gitteranpassung und mechanische Spannungen 86 4.3.3 Diskussion: Kubisches GaN und Spannungsaufbau 88 4.4 Zweidimensionales Schichtwachstum: Oberflächenstruktur und Oberflächentopographie 90 4.4.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 90 4.4.2 Oberflächentopographie ultradünner 2D-Schichten 93 4.4.3 Einfluss der Depositionsdauer 96 4.4.4 Einfluss der Substrattemperatur 99 4.4.5 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf die Oberflächentopographie der 2D-GaN-Schichten 102 4.5 Zweidimensionales Schichtwachstum: Kristallographie und Morphologie 106 4.5.1 Einfluss des I/A-Verhältnisses 106 4.5.2 Einfluss der Depositionsdauer 107 4.5.3 Einfluss der Substrattemperatur 109 4.5.4 Morphologie und Gitterfehlanpassung 112 4.5.5 Koaleszenz von Inseln im Anfangswachstum 116 4.5.6 Diskussion: Einfluss von I/A-Verhältnis, Depositionsdauer und Substrattemperatur auf Struktur und Morphologie der 2D-GaN-Schichten 119 4.6 Moduswechsel von 3D- zu 2D-Wachstum bei sequenzieller Abscheidung unter Verringerung des I/A-Verhältnisses 124 Kapitel 5 128 Zusammenfassung und Ausblick 129 Anhang A 134 Anhang B 136 Literaturverzeichnis 137 Danksagung 145 Veröffentlichungen 146 Lebenslauf des Autors 147 Selbständigkeitserklärung 14