Eigenschaften ultradünner Galliumnitrid- und -Oxidschichten über InGaN-Quantenfilmen für sensorische Anwendungen
Alamé, Sabine Hildegard Vera
Die technologische Entwicklung der heutigen Zeit befasst sich zunehmend mit der Kombination traditionell verwendeter Materialien mit organischen Verbindungen. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl neuer Anwendungsgebiete und oft einfachere und kostengünstige Bauelemente.
In dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich das bereits in der Halbleitertechnologie weit verbreitete Materialsystem InGaN und insbesondere auf Saphir gewachsene GaN-Kristalle mit einem 3 nm dicken In0.11Ga0.89N-Quantenfilm und GaN-Capschichten von 1 bis 10 nm Dicke für das Aufbringen von organischen Molekülen für sensorische Anwendungen gezielt vorbereiten und strukturieren lassen. Das Sensor-Konzept ist hierbei, eine Reaktion organischer Oberflächenmoleküle auf Umgebungsveränderungen an den Quantenfilm zu übertragen, dessen Photolumineszenzeigenschaften dadurch verändert werden. Für den Informationsübertrag ist es notwendig, dass die GaN-Schicht über dem Quantenfilm so dünn ist, dass die Wellenfunktionen der organischen Moleküle mit denen der Teilchen des Quantenfilms überlappen, wenige bis unter 1 nm. Die nötige Oberflächenpräparation erfolgt im Ultrahochvakuum bei Temperaturen bis 800 °C. Diese Arbeit beantwortet die Frage, ob die äußerst temperaturempfindlichen InGaN-Quantenfilme die Präparation überstehen und das Konzept sich prinzipiell realisieren lässt.
Es konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass InGaN-Quantenfilme mit ultra-dünnen GaN-Capschichten von 1 bis 10 nm eine Präparation dieser Capschichten bis 800 °C im Sauerstoff- bzw. Stickstoffplasma und das Aufwachsen weiterer dünner GaN-Schichten überstehen, ohne dass Indium aus dem Quantenfilm in die Capschicht diffundiert. Alle Quantenfilmproben zeigten auch nach der Präparation Photolumineszenz, die allerdings durch die präparationsbedingten Veränderungen des Materials deutlich verringert war. Die Voraussetzung für die Umsetzung des angestrebten Sensorkonzepts, der Erhalt des Quantenfilms während und nach der Präparation, ist somit nachgewiesen. Auf den Oberflächen ließen sich verschiedene Oberflächenrekonstruktionen präparieren, die das gezielte Aufbringen von organischen Molekülen ermöglichen sollen. Die präparierten Oberflächen sind aufgeraut gegenüber dem Ausgangsmaterial, so besteht noch Optimierungsbedarf bei der Präparation.
In dieser Arbeit konnte auch eine weniger als 1 nm dünne, kristalline Galliumoxidschicht auf GaN hergestellt und untersucht werden. Eine ähnliche Oberfläche wurde bereits von den Autoren Dong et al. präpariert und diskutiert. Die in dieser Arbeit beobachtete Oxidschicht hat jedoch einen leicht anderen Aufbau. Es konnte außerdem erstmals nachgewiesen werden, dass ein so dünner Galliumoxidfilm auch auf einer 5 nm dünnen GaN-Capschicht präpariert werden kann, ohne den darunter liegenden Quantenfilm zu zerstören. Die Oxidierung des Materials führte auch hier, wie bei der Präparation von GaN-bedeckten InGaN-Quantenfilmen mit GaN-Schichtwachstum, zu einer erhöhten Oberflächenrauigkeit und zu einer Verringerung der PL-Intensität des Quantenfilms. Jedoch ließ sich dadurch prinzipiell zeigen, dass man die Oberfläche über dem Quantenfilm auch stärker verändern kann und eine Kombination von GaN mit seinem transparenten, halbleitenden Oxid (TSO) Ga2O3 auch auf ultradünne Quantenfilmstrukturen erweiterbar ist.
Modern technological development increasingly deals with the combination of traditionally used materials and organic compounds. This leads to a variety of new fields of application and often to simpler and cost saving devices.
This work investigates, how the already widely used semiconducting material system of InGaN, and especially GaN crystals that are grown on sapphire substrates, can be prepared for the deposition of organic molecules by structuring the surface. The crystals contain a 3 nm thick buried In0.11Ga0.89N single quantum well and GaN cap layers of 1 nm to 10 nm thickness. The underlying sensor concept is a reaction of the organic surface molecules to the environmental change and a signal transfer to the single quantum well, which can be observed in a change of its photoluminescence characteristics. In order to enable such a signal transfer it is necessary for the GaN capping layer to be of ultrathin dimension, so that the wave functions of the organic molecules overlap with those of the particles in the quantum well, which is few or less than 1 nm thickness. The surface preparation necessary is done in ultra high vacuum conditions at temperatures up to 800 °C. This work answers the question, if the InGaN quantum wells, which are very sensitive to high temperatures, can survive this preparation, and this way deliver a proof of concept.
In this paper it could be shown that InGaN single quantum wells with ultra thin capping layers between 1 nm and 10 nm thickness can withstand a surface preparation in oxygen- or nitrogen plasma atmosphere. There was no sign of Indium diffusing into the capping layer during the preparation that included growth of ultra thin GaN surface layers and applied temperatures in the range of 800 °C. All investigated samples still showed photoluminescence after the preparation, exhibiting significantly reduced intensity as a result of substantial changes in the structure of the material. The prerequisite for the implementation of the mentioned sensor concept is the conservation of the quantum well during the preparation, and is satisfied by this result. Various surface reconstructions could be prepared, which are expected to enable the well ordered adsorption of organic molecules. The surfaces showed an increased roughness after preparation, meaning that there is need for improvement in the adjustment of preparation conditions.
As a result of a preparation in oxygen plasma at high temperatures, a crystalline gallium oxide layer could be grown on GaN, which had a thickness of less than 1 nm. A similar surface has already been prepared and investigated by the authors Dong et al., but shows some differences in its atomic structure compared to the one investigated in this work. Additionally, in this work it could be proven, that a crystalline oxide layer can be prepared on a capping layer as thin as 5 nm without destroying the underlying quantum well. The oxidation of the material, once more, lead to an increased surface roughness and to a decline in PL intensity of the quantum well. Nevertheless, it could be shown that the ultrathin GaN capping layers could be modified in an even more comprehensive way and that a combination of GaN and its transparent semiconducting oxide (TSO) Ga2O3 can be applied even to quantum well structures of ultrathin dimensions.
