Untersuchungen zur metallorganischen Gasphasenepitaxie von Gruppe III Nitriden auf Silizium (111)

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einen geeigneten Epitaxieprozess für die Abscheidung einkristalliner Gruppe III-Nitrid Schichten auf Silizium zu entwickeln. Als Methode wurde dazu die metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) verwendet. In Kapitel 1-3 werden zunächst die wichtigsten Fakten zu den Gruppe-III Nitriden zusammengefasst, die experimentellen Charakterisierungsmethoden erläutert, sowie theoretische und praktische Grundlagen zum Verständnis der MOVPE erarbeitet. Mit Kapitel 4 beginnt der experimentelle Teil der Arbeit. In diesem Kapitel werden die grundlegenden allgemeinen Prozessparameter zusammengefasst, die durch die Optimierung eines Abscheideprozesses auf Saphir entstanden sind. Als wichtigstes Ergebnis gilt es hier festzuhalten, dass die Schichtqualität entscheidend durch den Verzicht auf eine Nitridierung des Substrates verbessert werden konnte. Die Gitterfehlanpassung von GaN auf Silizium beträgt -16,9 %. Dennoch stellt dies nicht die entscheidende Problematik bei der Epitaxie dar. Wie in Kapitel 5 dargestellt, sind die größten Hürden dabei in erster Linie das "`Meltback Etching"', eine schicht- und substratzerstörende chemischen Reaktion von Gallium mit Silizium, sowie das durch den im Vergleich zu GaN kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Si verursachte Reißen der Schichten. Die Lösung dieser beiden Problematiken ist als zentrales Ergebnis dieser Dissertation hervorzuheben. Es konnte gezeigt werden, dass AlN in hoher einkristalliner Qualität direkt auf Si(111) abgeschieden werden kann. Trotz großer Gitterfehlanpassung ist dabei das auf Saphir ausgeprägte Volmer-Weber Wachstum nicht zu beobachten. Dies wird auf eine erhöhte Nukleationsdichte auf den aufgrund ihrer geringeren thermischen und chemischen Resistenz bei Prozesstemperatur mikroskopisch aufgerauten Si-Oberflächen zurückgeführt. Als Puffer aufgebracht, dienen rund 100 nm dicke AlN-Schichten als Diffusionsbarrieren für Si- bzw. Ga-Atome und verhindern dadurch effizient das Meltback Etching. Das Reißen der GaN-Schichten resultiert aus der tensilen Verspannung, die sich wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten beim Abkühlen von Prozess- auf Raumtemperatur aufbaut. Eine während des Wachstums gezielt aufgebaute kompressive Verspannung kann dem entgegenwirken. Es konnte gezeigt werden, dass diese in einem graduellen Übergang von AlN nach GaN innerhalb von etwa 400 nm maximal wird. Plausibel wird dies, da dadurch die lokale Gitterfehlanpassung stets klein genug bleibt, um Versetzungseinbau zu vermeiden, der verspannungsabbauend wirkt. Die kritische Schichtdicke, ab der es wieder zum Reißen der Schichten kommt wurde dadurch mit 2,5 µm mehr als verdoppelt. Im letzten Kapitel werden Experimente mit der ternären Legierung AlGaN und daraus aufbauenden Heterostrukturen vorgestellt. Dabei konnten durch die hohe Polarität des Materialsystems verursachte Effekte wie zweidimensionale Elektronengase, quantenunterstützter Stark-Effekt und Franz-Keldysh-Effekt nachgewiesen werden. Desweiteren wird die Anwendung der Methode des "cleaved edge overgrowth" auf die MOVPE von Gruppe III-Nitriden untersucht und erste Ergebnisse der Strukturierung eines Quantendrahtes vorgestellt. Den Abschluss bildet die tiefgehende Analyse eines bemerkenswerten Phänomens der Epitaxie des ternären AlGaN. Es wird die Möglichkeit einer vertikalen Entmischung der Legierung unter Ausbildung von selbstorganisierten Übergittern der Form AlxGa1-xN / AlyGa1-yN bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass seine Periodenlänge gezielt im Bereich von rund 1,5 nm bis 6 nm über die Flussraten der Gruppe III Vorstufen gesteuert werden kann. Als Entstehungsmechanismus wird eine durch die kompressive Verspannung induzierte periodische Segregation vorgeschlagen