Defektanalyse von Aluminiumnitrid

AlN ist ein vielversprechendes Materialsystem für optoelektronische Anwendungen im tiefen UV. Derzeit ist es jedoch nicht möglich, Material mit ausreichender n- bzw. p-Leitfähigkeit herzustellen. Die Ursachen hierfür sind jedoch weitesgehend nur in theoretischen, selten aber in experimentellen Untersuchungen behandelt worden. Dies ist vornehmlich darauf zurückzuführen, dass aufgrund der nicht ausreichenden Leitfähigkeit, viele etablierte Messverfahren, wie z.B. Deep-level-transient spectroscopy (DLTS) oder Hall-Effekt Messungen selten anwendbar sind. In dieser Arbeit werden die n-Dotierung von AlN, sowie die wichtigsten Kompensationsmechanismen experimentell untersucht. Dafür stehen n-leitfähiges und semi-isolierendes Volumenmaterial, als auch epitaktisch gewachsene Schichten zur Verfügung. Um einen experimentellen Zugang zu den Störstellen in AlN zu erhalten, wird in dieser Arbeit, neben Lumineszenz- und Admittanzspektroskopie, vor allem die Thermolumineszenz (TL) genutzt. Die TL wurde hierbei erstmals für die Anwendung in einem Rasterelektronenmirkroskop konzipiert und aufgebaut. Dadurch wird eine ortsaufgelöste Analyse der Haftstellen im Bereich weniger µm erreicht. Mit dieser Methode konnten bisher nie gezeigte, nahezu vollständig isolierte TL Banden in AlN beobachtet werden, was eine exakte Bestimmung der Defektparameter erlaubt. Die wesentlichen Ergebnisse unserer Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Die n-Leitfähigkeit in den Volumenkristallen wird durch Si auf Al Platz hervorgerufen. Im Hinblick auf die widersprüchlichen Diskussionen in der Literatur finden wir keine Hinweise dafür, dass es sich bei diesem Defekt um ein metastabiles DX-Zentrum handelt. Vielmehr deuten unsere Ergebnisse auf einen stabilen Si Donator hin, der sich (je nach Konzentration) 110-150 meV unterhalb der Leitungsbandkante einbaut. Weiterführende Lumineszenzuntersuchungen zeigen Hinweise auf einen noch flacheren und daher möglicherweise geeigneteren Donator, etwa 60-80 meV unterhalb der Leitungsbandkante. Bezüglich der Kompensationsmechanismen sind Akzeptoren in der unteren und oberen Hälfte der verbotenen Zone identifiziert worden. In der unteren Hälfte der verbotenen Zone kommen wir, in guter Übereinstimmt mit ab-initio Rechnungen, zu dem Ergebnis, dass das wesentlichste Kompensationszentrum in n-leitfähigem AlN die Al Vakanz ist, welche als dreifacher Akzeptor wirkt. Es konnte gezeigt werden, dass eine Lumineszenzbande bei 3.3 eV mit der Al Vakanz direkt in Verbindung steht. Die Position dieses Defekts, welche bisher nur aus theoretischen Arbeiten bekannt war, liegt, im dreifach negativ geladenen Zustand, etwa 2 eV oberhalb der Valenzbandkante. Es konnte ferner gezeigt werden, dass die in der Literatur häufig wenig beachteten Akzeptoren in der oberen Hälfte der verbotenen Zone von elementarer Bedeutung für die Kompensation der n-Leitfähigkeit sind. Insgesamt wurden acht verschiedene akzeptorartige Haftstellen identifiziert, von denen drei, 520 meV, 625 meV und 860 meV unterhalb der Leitungsbandkante, in maßsgeblicher Konzentration vorliegen und wesentlich die elektrischen Eigenschaften beeinflussen. So führen sie unter anderem zum Pinnen des Fermi-Niveaus, was die freie Ladungsträgerkonzentration bei Raumtemperatur wesentlich verringert. Diese drei Haftstellen wurden auch in epitaktischem AlN gefunden, was die grundsätzliche Bedeutung dieser Akzeptoren für die n-Dotierung von AlN unterstreicht. Die Elektronenhaftstelle, 520 meV unterhalb der Leitungsbandkante, besitzt zudem metastabile Eigenschaften, was direkt nachgewiesen werden konnte. Diese Haftstelle erzeugt die persistente Photoleitfähigkeit und wirkt außerdem als nichtstrahlendes Zentrum, was zu einem Abfall der Defektluminszenz mit steigender Temperatur führt. Dadurch werden erstmals die in der Literatur genannten niedrigen Aktivierungsenergien, die aus Lumineszenz Quenching Experimenten bestimmt wurden, erklärtAlN is a promising material system for optoelectronic applications in the deep UV. However, at present it is not possible to grow material with a sufficient n- or p-type conductivity. The reasons for this have mainly been treated in theoretical works, while experimental studies are lacking. Mainly, this is related to the fact, that well known characterization tools like deep level transient spectroscopy (DLTS) or Hall-effect measurements are barely applicable. In this work, n-type doping of AlN and the main compensation mechanisms are investigated experimentally. For our studies, n-type and semi-insulating bulk material, as well as various epitaxial AlN layers are available. For an experimental access to the defects, we will, next to luminescence and admittance spectroscopy, mainly use thermoluminescence (TL) measurements. In our novel approach, the TL was developed and established for the application in a scanning electron microscope, which enables spatially resolved defect analysis in the range of a few microns. With this method, we could record TL curves, showing almost completely isolated peaks, which have never been reported before. This allows a very accurate determination of the trap parameters. The main results of out studies can be summarized as follows: The n-type conductivity in our bulk crystals is due to Si on Al site. With regard to to controversial discussion in literature, we find no evidence that this defect incorporates as a metastable DX center. Instead, we propose that it is a stable Si donor, incorporating about 110-150 meV below the conduction band (depending on the concentration). Indications for the presence of an even shallower and thus more favorable donor, incorporating about 60-80 meV below the conduction band, come from luminescence studies. Turning to the compensation mechanisms, acceptors in the lower and upper half of the bandgap have been identified. In the lower half of the bandgap, we find, in good agreement with ab-initio calculations, that Al vacancies are the main acceptors in n-type material, acting as triple acceptors. It could be shown that a luminescence band, peaking around 3.3 eV, is directly linked with the presence of this defect. The position of the Al vacancy, in the triply negatively charged state is 2 eV above the valence band, which has so far only been known from theoretical works. Furthermore, it could be shown that acceptors in the upper half of the bandgap are essential for n-type compensation of AlN, which have so far rarely been considered in literature. Eight acceptor-like traps have been identified, with three of them, i.e. 520 meV, 625 meV, 860 meV meV below the conduction band, occurring in substantial concentrations. These traps are strongly affecting the electrical properties of AlN due to Fermi-level pinning, which severely reduces the free electron concentration at room temperature. They have also been identified in epitaxial AlN, which underlines their principal importance for n-type doping of AlN. The electron trap, 520 meV below the conduction band shows metastable properties, which has, for the first time, experimentally been verified. This trap causes the persistent photoconductivity and acts as a non-radiative center, which causes a decrease of the defect-related luminescence with increasing temperature. This explains the low activation energies in literature, determined from luminescence quenching experiments, which have so far not been interpreted