Φυσικοί μηχανισμοί επίταξης με μοριακές δέσμες και ιδιότητες λεπτών υμενίων InN (0001)

Abstract

Στη διδακτορική διατριβή διερευνήθηκαν οι φυσικοί μηχανισμοί της επίταξης με μοριακές δέσμες (MBE) του ημιαγωγού InN και μελετήθηκαν οι βασικές δομικές, ηλεκτρικές και οπτικές ιδιότητές του. Επιπλέον, διερευνήθηκε η ανάπτυξη και οι ιδιότητες κβαντικών ετεροδομών InN/GaN και λεπτών υμενίων κραμάτων InₓGa₁₋ₓN. Για την ανάπτυξη του InN και των κραμάτων InₓGa₁₋ₓN, χρησιμοποιήθηκε η τεχνική ΜΒΕ με πηγή πλάσματος αζώτου από επαγωγή ραδιοσυχνοτήτων (RF-MBE). Οι ρυθμοί θερμικής διάσπασης του InN και επανεξάχνωσης του In από το υπόστρωμα μετρήθηκαν στο περιβάλλον της επιταξιακής ανάπτυξης με RF-MBE και βρέθηκε ότι ενεργοποιούνται και αυξάνουν απότομα σε θερμοκρασίες υποστρώματος μεγαλύτερες από ~450°C και ~520°C, αντίστοιχα. Συνεπώς, η ανάπτυξη του InN είναι εφικτή μόνο σε θερμοκρασίες μικρότερες από ~450°C, χρησιμοποιώντας συνθήκες περίσσειας N ή στοιχειομετρικές ροές In και Ν. Μελετώντας το σχηματισμό επιταξιακών πυρήνων InN πάνω σε υπόστρωμα GaN (0001), βρέθηκε ότι η διάχυση των ατόμων In πάνω στην επιφάνεια του υποστρώματος αυξάνει απότομα σε θερμοκρασίες υποστρώματος μεγαλύτερες από 400°C και αναδείχθηκε ο μηχανισμός αυτορρύθμισης της επιταξιακής ανάπτυξης του InN. Σύμφωνα με τον μηχανισμό αυτορρύθμισης, τα άτομα In διαχέονται στην επιφάνεια του υποστρώματος, με τέτοιο τρόπο ώστε να σχηματίζουν νησίδες ή υμένιο InN με επιφάνεια που τερματίζει σε άτομα In. Συγκρίνοντας διαφορετικές διαδικασίες ανάπτυξης, ενός ή δύο σταδίων, βρέθηκε ότι συμπαγή υμένια InN, με βελτιωμένες δομικές και ηλεκτρικές ιδιότητες, αναπτύσσονται μόνο σε θερμοκρασίες υποστρώματος από 400°C έως 450°C, χρησιμοποιώνταςστοιχειομετρικές (ίσες) ροές In και Ν. Ο τρόπος ανάπτυξης σε αυτές τις συνθήκες διερευνήθηκε ενδελεχώς και προσδιορίστηκε ο ρόλος του ρυθμού και της θερμοκρασίας ανάπτυξης. Παρατηρήσεις ΤΕΜ έδειξαν ότι η πλεγματική διαφορά (f~-10%) μεταξύ του InN και του υποστρώματος GaN χαλαρώνει, σχεδόν ή πλήρως, με το σχηματισμό δικτύου εξαρμόσεων πλεγματικής διαφοράς τύπου 60° στη διεπιφάνεια InN/GaN. Επίσης, ο σχηματισμός των διερχόμενων εξαρμόσεων τύπου ακμής (10⁹-10¹⁰cm⁻²), κοχλία (10⁸-10⁹cm⁻²) και μεικτού τύπου (10⁹cm⁻²) στο InN, συσχετίστηκε με τον τρόπο ανάπτυξης του InN και προσδιορίστηκε η εξάρτηση των συγκεντρώσεών τους από τις συνθήκες ανάπτυξης. Μετρήσεις XRD έδειξαν την ύπαρξη διαξονικής τάσης παραμόρφωσης στο InN, στο επίπεδο της διεπιφάνειας (0001), η οποία είναι υπέρθεση της τυχόν απομένουσας συμπιεστικής τάσης λόγω της πλεγματικής διαφοράς με το υπόστρωμα, της συμπιεστικής θερμικής τάσης λόγω της διαφορετικής συστολής/διαστολής του υποστρώματος και της τάσης που οφείλεται στον τρισδιάστατο τρόπο ανάπτυξης του InN. Οι ελεύθερες από τάσεις παραμόρφωσης πλεγματικές σταθερές του InN προσδιορίστηκαν ίσες με c₀=(5.699±0.004)Å και α₀=(3.535±0.005)Å, ενώ ο συντελεστής χαλάρωσης της διαξονικής παραμόρφωσης, b=2C₁₃/C₃₃, υπολογίστηκε ίσος με 0.43±0.04. Τα υμένια InN παρουσίασαν υψηλές συγκεντρώσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων (10¹⁸-10¹⁹cm⁻³). Τυπικές τιμές της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων και της ευκινησίας Hall των ηλεκτρονίων, στους 300Κ, ήταν (2-9)× 10¹⁸cm⁻³ και (1200-1500)cm²/Vs, αντίστοιχα. Μελετήθηκε η εξάρτηση της ευκινησίας ηλεκτρονίων από τις συνθήκες ανάπτυξης, οι οποίες επηρεάζουν τη συγκέντρωση των διερχόμενων εξαρμόσεων, και διαπιστώθηκαν ενδείξεις αντιστάθμισης των ηλεκτρονίων στο InN από σημειακές ατέλειες που δρουν σαν αποδέκτες, με συγκέντρωση ανάλογη της συγκέντρωσης των εξαρμόσεων ακμής. Το φαινόμενο Burstein-Moss, λόγω της υψηλής συγκέντρωσης ηλεκτρονίων, παρατηρήθηκε σε μετρήσεις οπτικής φασματοσκοπίας στο InN και προσδιορίστηκε ότι το ενεργειακό χάσμα του InN, στους 300Κ, είναι λίγο μικρότερο από 0.65eV. Αναπτύχθηκε ετεροδομή μονοδιάστατου κβαντικού πηγαδιού InN/GaN με απότομες και επίπεδες διεπιφάνειες, στην οποία κατασκευάστηκαν ανορθωτικές επαφές Schottky. Μετρήσεις χωρητικότητας-τάσης (C-V) ανέδειξαν τον εντοπισμό υψηλής συγκέντρωσης ηλεκτρονίων (1.5×10¹³cm⁻²) στο στρώμα InN, που είναι αποτέλεσμα είτε των εσωτερικών ηλεκτρικών πεδίων πόλωσης της ετεροδομής, είτε των προσμείξεων δοτών στο InN. Επίσης, δείχθηκε η δυνατότητα διαμόρφωσης και πλήρους απογύμνωσης της συγκέντρωσης των ηλεκτρονίων στο InN. Δομές κβαντικών κόκκων InN αναπτύχθηκαν πάνω σε υπόστρωμα GaN (0001), ελέγχοντας τις διαστάσεις και την πυκνότητά τους μέσω της θερμοκρασίας και της διάρκειας εναπόθεσης. Μετρήσεις φασματοσκοπίας φωτοφωταύγειας (PL) έδωσαν ενδείξεις για οπτικές μεταβάσεις από δομή κβαντικών κόκκων ύψους 3nm και διαμέτρου 40nm. Τέλος, αναπτύχθηκαν λεπτά υμένια κραμάτων InₓGa₁₋ₓN, με ποσοστά από 0 (GaN) έως 1 (InN), σε συνθήκες ανάλογες με αυτές των υμενίων InN. Από μετρήσεις XRD δεν παρατηρήθηκε διαχωρισμός φάσεων, γεγονός που αποδίδεται στους ισχυρούς κινητικούς περιορισμούς της επιταξιακής ανάπτυξης. Το ενεργειακό χάσμα των κραμάτων μετρήθηκε συναρτήσει της σύστασής τους και προσδιορίστηκε ο παράγοντας απόκλισης από τη γραμμικότητα ίσος με 1.68±0.09 eV.