InGaAs / GaAsSb resonant tunneling diodes

Zsfassung in dt. SpracheResonante Tunneldioden (RTDs) haben viele mögliche Anwendungsgebiete, etwa als ultraschnelle Schalter, als Oszillatoren zur Erzeugung von hohen Frequenzen bis zu 1 THz bei Raumtemperatur oder in der Forschung von quantenmechanischen Transporteffekten. Zur Herstellung von RTDs können eine Vielzahl an Materialien, wie III-V und II-VI Halbleiter, eingesetzt werden. In dieser Diplomarbeit wurden RTDs zur Analyse und Charakterisierung von Heterostrukturen für das aluminiumfreie InxGa1-xAs/GaAsxSb1-x Materialsystem verwendet. Diese gitterangepassten Strukturen wurden durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf InP Substrat gewachsen. Dieses Materialsystem verspricht eine Verbesserung der Eigenschaften von Halbleiterheterostrukturen wie dem Quantenkaskadenlaser, den Quantentopf- Infrarot-Photodetektoren oder auch von resonanten Tunneldioden. Das Herstellungsverfahren von 100µm x 100µm, 40µm x 40µm, 30µm x 30µm, 10µm x 10µm und 5µm x 5µm RTDs wurde optimiert, um bestmögliche Ergebnisse bei der Erzeugung von RTDs zu erzielen. Die hergestellten RTDs besitzen einen Quantentopf aus InxGa1-xAs der Breite von 7 nm, 10 nm, 13 nm und 20 nm und 9 nm dicke GaAsxSb1-x Barrieren auf beiden Seiten des Quantentopfes. Diese Variation der Dicke des Quantentopfes soll zu weiteren Erkenntnissen beitragen, ob es eine Verbindung zwischen den unterschiedlichen Dicken der Quantentöpfe und dem Peak-to-Valley Ratio (PVR), den symmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V Kennlinien) und magnetisch induzierten Effekten gibt. Diese Quantentransportmessungen unter magnetischen Feldern (Silvano de Sousa et al.) wurden an den im Rahmen dieser Arbeit hergestellten RTDs ausgeführt, dabei wurde das sogenannte resonance peak splitting Phänomen gefunden.I-V Kennlinien wurden bei 300 K (Raumtemperatur), 78 K und 4.2 K untersucht und Resonanzen, die für den negativen differenziellenWiderstandsbereich (NDR) verantwortlich sind, wurden auch noch bei Raumtemperatur beobachtet. Der Einfluss der SiN Isolationsschicht auf das I-V Verhalten wurde untersucht und es zeigt sich, dass RTDs ohne diese Isolierungschicht größeres PVR aufweisen.Desweiteren erlaubt die Untersuchung von PVRs der einzelnen Proben unterschiedlicher Quantentopfdicke erste Rückschlüsse über einen möglichen Zusammenhang zwischen der Größe der RTD und ihrem PVR.Vergleiche von 40µm x 40µm, 10µm x 10µm und 5µm x 5µm RTDs zeigen, dass mit einer Reduktion der Größe der RTD der PVR aufgrund der geringer werdenden Wahrscheinlichkeit von Oberflächendefekten ansteigt. Weiters wurde die Auswirkung von Interfacerauhigkeiten zwischen den InxGa1-xAs und GaAsxSb1-x Schichten untersucht. Diese Interfacerauhigkeit scheint eine wichtige Rolle für das Verhalten der I-V Kennlinie in symmetrischen Strukturen in Abhängigkeit der tatsächlichen Stromrichtung zu spielen, insbesonderes für dünne Quantentöpfe, da der Einfluss der Interfacerauhigkeit mit zunehmender Dicke des Quantentopfes abnimmt.Resonant tunneling diodes (RTDs) have a wide range of possible applications. They are used as ultra-fast switches, as research devices for quantum transport physics and even as highfrequency oscillators up to 1 THz at room-temperature. Furthermore, a vast variety of materials, such as III-IV and II-VI semiconductors, respectively material compounds can be used for fabrication. In this thesis, RTDs were used to analyse and characterise heterostructures in the aluminum free InxGa1-xAs/GaAsxSb1-x material system. The structures were grown lattice-matched to InP substrates by molecular beam epitaxy. This material system promises improvements to the performance of semiconductor heterostructure devices like quantum cascade lasers, quantum-well infrared photodetectors or to the RTDs itself due to relatively small effective masses of electrons in both compounds. Fabrication recipes for 100µm x 100µm, 40µm x 40µm, 30µm x 30µm, 10µm x 10µm and 5µm x 5µm RTDs have been tested and improved to allow easy reprocessing and adjustment to for further research. The fabricated RTDs consist of different InxGa1-xAs quantum-well widths of 7 nm, 10 nm, 13 nm and 20 nm and 9 nm GaAsxSb1-x barriers on each side of the well. The variation of the well thickness was done to further investigate relations between Peak-to-Valley Ratio (PVR), I-V characteristics, and effects of magnetic fields. These transport measurements under magnetic fields (Silvano de Sousa et al.) were instigated by using the RTDs fabricated within this thesis. A resonance peak splitting phenomenon was found during these magnetic field experiments. I-V curves have been measured at 300 K (room-temperature), 78 K, and at 4.2 K and resonances, resulting in negative differential resistance, have been seen up to 300 K. Influence of the SiN isolation on I-V behaviour has been investigated and has shown a higher PVR for RTDs without SiN isolation layers. Furthermore, the PVR of samples with different well widths allows the conclusion that there is a connection between the size of the RTD and its PVR. Comparison of 40µm x 40µm, 10µm x 10µm and 5µm x 5µm RTDs indicates, that the smaller the actual size of the RTD, the higher the PVR becomes due to the reduced influence of surface defects. Last, but not least, the importance of interface roughness between the InxGa1-xAs and GaAsxSb1-x layers for different variations of quantum-well thickness has been investigated and interface roughness was proven to play a vital role for I-V behaviour for different current directions in symmetric structures. This is especially important for thin wells, as the influence of the interface roughness decreases with increasing well thickness.9