Abhängigkeit der Bandlücke von den Nukleationsbedingungen

PL-Messungen an $GaN$ auf Saphir (Abb. 4.3) zeigen mit fortlaufender Optimierung der Züchtungsparameter immer höhere Bandlücken (ein Zeichen für zunehmende Verspannung und damit niedrigere Versetzungsdichte) und immer weniger Lumineszenz aus Störstellen in der Bandlücke (gelbe Lumineszenz). Auch nimmt die Halbwertsbreite der Bandlückenlumineszenzpeaks entsprechend ab (vgl. auch Tabelle 4.1).

Abbildung 4.3: Photolumineszenz-Spektren von $GaN$ auf $Al_{2}O_{3}$ und $SiC$

Tabelle 4.1: Photolumineszenz von $GaN$ Proben auf $Al_{2}O_{3}$ und $SiC$

Probe	Substrat	V:III	$t_{nuk}$	$T^{Pyro}_{nuk}$	RBS:d	PL:Egap	PL:FWHM	yellow PL	XRD
		Verhältnis	sec	$\temp$	nm	eV	meV	% PL	asec
GaN LS002	$Al_{2}O_{3}$	166.67	45	650	330	3.30	493	206	3660
GaN LS003	$Al_{2}O_{3}$	178.57	600	900	-	3.37	82/174	36	2590
GaN LS004	$Al_{2}O_{3}$	178.57	600	650	460	3.38	130	9	1597
GaN LS007	$Al_{2}O_{3}$	166.67	600	647	-	3.38	78/94	24	-
GaN LS008	$Al_{2}O_{3}$	178.57	600	650	380	3.38	78/85	22	-
GaN LS010	$Al_{2}O_{3}$	178.57	600	550	-	3.36	118	500	-
GaN LS018	$SiC$	52.86	155	650	180	3.41	52	5	803
GaN LS019	$SiC$	52.86	195	653	330	3.38	87	220	877

Die Entwicklung ist den Spektren der Proben LS002, LS003, LS004, LS007 & LS008 (Abb. 4.3) gut anzusehen, bei LS010 handelt es sich um einen Züchtungsversuch bei niedrigen Temperaturen (low temperature: LT, $T_{Pyro}=650\temp\;\mbox{statt}\;750\temp$), der zu optisch ,,totem`` Material geführt hat, dessen Lumineszenz um mehrere Größenordnungen schwächer ist, als die vergleichbarer Proben bei höherer Wachstumstemperatur. Verantwortlich dafür dürfte eine bevorzugte Rekombination an den Störstellen sein, da die gelbe Lumineszenz ausgeprägter als z.B. bei LS004 ist (Abb. 4.3). An den Proben LS007 und 008 wurde die Reproduzierbarkeit der Züchtungsexperimente getestet, was mit nahezu identischen PL-Spektren zu einem positiven Ergebnis führte.

Eine visuelle Gegenüberstellung der PL-Ergebnisse zusammen mit Röntgenergebnissen (vgl. Abschnitt 4.2.2) erfolgt in Abb. 4.4:

Die Optimierung bestand bei $GaN$ in erster Linie darin, die Dauer und Wachstumstemperatur der Züchtung der Nukleationsschicht auf $Al_{2}O_{3}$ zu variieren. Bei konstantem Flußverhältnis zeigte sich sowohl in PL als auch XRD (s. Abb. 4.4), daß die Züchtung einer Nukleationsschicht bei abgesenkten Temperaturen in der Tat zu qualitativ besseren Schichten führt (vgl. 2.1.1). Auf $SiC$ scheint auch schon eine kürzere Nukleationsphase diesen Effekt zu zeigen (Abb. 4.4, rechts).

Abbildung 4.4: Optimierung des $GaN$-Wachstums auf $Al_{2}O_{3}$ anhand von PL. Die Abnahme von gelber Lumineszenz und PL-Halbwertsbreite mit verbesserten Nukleationsbedingungen auf $Al_{2}O_{3}$ wird durch die unterbrochene rote Linie symbolisiert. Eine entsprechende Tendenz kann für LS002-004 auch bei der Röntgen-Halbwertsbreite (vgl. Abschnitt 4.2.2) beobachtet werden.

Die besten Halbwertsbreiten für MOCVD $GaN$-Proben des Instituts für Angewandte Festkörperphysik auf Saphir liegen zum Vergleich bei $32-35\:meV$ [Kunzer, 1998], in der Literatur werden Halbwertsbreiten bei Raumtemperatur zwischen $20$ und $70\:meV$ verzeichnet [Foxon and Orton, 1998].