Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1618
Main Title: Fast optical in situ spectroscopy in III-V MOVPE
Translated Title: Schnelle optische in situ-Spektroskopie in III-V-MOVPE
Author(s): Kaspari, Christian
Advisor(s): Richter, Wolfgang
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Arbeit beschreibt die Anwendung von optischen in situ-Meßtechniken (Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie, RAS, und spektroskopische Ellipsometrie, SE) auf Prozesse, die beim Wachstum von III-V-Halbleitern wie GaAs, InP, InAs und GaP in der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) von Bedeutung sind. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bestimmung der Konzentration der freien Ladungsträger (Dotierung) und der Untersuchung des thermischen Desorptionsverhaltens der III-V-Oxide. Ein großer Teil der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Aufbau einer Mehrkanal-RAS, mit der die Messung von RAS-Spektren in Sekundenbruchteilen möglich wird. Anhand von Benchmark-Messungen wurde gezeigt, daß die spektrale Auflösung für die Anwendung in der Epitaxie hinreichend genau ist. Zur Demonstration der Messung von Spektren mit hoher Zeitauflösung wurden RAS-Monolagenoszillationen beim Wachstum von GaAs untersucht und gezeigt, daß die Oberfläche periodisch zwischen einer relativ glatten, mit Methylgruppen belegten Oberfläche (Typ III) und einer gestuften, galliumreichen Oberfläche (Typ II) oszilliert. Desweiteren wurde ein nichtreversibler Prozess, das Wachstum von InAs-Quantenpunkten auf GaAs, untersucht. Hier wurde gezeigt, daß die Mehrkanal-RAS geeignet ist, um sowohl den 2D-3D-Übergang als auch die anschließende Morphologieänderung der Oberfläche mit hoher Zeitauflösung zu detektieren. Für die Messung der Dotierung wurde der Zusammenhang zwischen dem durch die Dotierung erzeugten internen elektrischen Feld und der gemessenen Anisotropie untersucht (linearer elektro-optischer Effekt). Es wurde gezeigt, daß die Dotierungsbestimmung mit Mehrkanal-RAS möglich ist. Erstmals wurde zudem ein Effekt beschrieben, der während des Wachstums von aufeinanderfolgenden, unterschiedlich dotierten Schichten von z.B. GaAs oder InP auftritt: das RAS-Signal oszilliert ähnlich wie bei den aus der Reflektometrie bekannten Fabry-Pérot-Oszillationen. Diese Oszillationen können ausgenutzt werden, um in situ eine Wachstumsrate in der Homoepitaxie zu bestimmen, was sonst nur in einem stark eingeschränkten Wachstumsparameterbereich und nur über kurze Zeit möglich ist (Monolagensozillationen). Zusammen mit der Dotierungsbestimmung kann dieser Effekt benutzt werden, um in situ ein Dotierprofil zu erstellen. Zum Verständnis des Effekts der sogenannten Dotierungsoszillationen wurde eine theoretische Beschreibung entwickelt. Zur Untersuchung der thermischen Desorption der III-V-Oxide in der MOVPE wurden mehrere Versuchsreihen durchgeführt. Dabei wurden (bei konstanter Temperaturzunahme) Temperaturen bestimmt, bei denen die Ausbildung einer rekonstruierten Oberfläche einsetzt bzw. abgeschlossen ist (RAS) bzw. die Reduktion der Oxidschichtdicke einsetzt und abgeschlossen ist (SE). Diese Temperaturen korrelieren mit der Bindungsenergie des entsprechenden III-V-Halbleiters. Es wurde außerdem herausgefunden, daß die Ausbildung der Rekonstruktion erst deutlich nach dem Zeitpunkt abgeschlossen ist, bei dem in den SE-Transienten bereits keine Änderungen mehr sichtbar sind. Die Aktivierungsenergie der Oxiddesorption für InAs, GaAs und InP wurde mit SE zu 0,64eV, 1,12eV und 1,42eV bestimmt. Auch die Aktivierungsenergie steigt mit der Bindungsenergie des entsprechenden Volumenhalbleiters an.
This work describes the application of optical in situ measurement techniques (reflectance anisotropy spectroscopy, RAS, and spectroscopic ellipsometry, SE) to processes that are important for the growth of III-V semiconductors like GaAs, InP, InAs and GaP in metal-organic vapour phase epitaxy (MOVPE). Special emphasis is placed on the determination of the free carrier concentration (doping level) and the study of the thermal desorption properties of III-V oxides. A large part of this work is concerned with the development and the construction of a multichannel RAS setup that allows the recording of RAS spectra within fractions of a second. On the basis of benchmark measurements it was shown that the spectral resolution is sufficiently accurate for application in epitaxy. To demonstrate the recording of spectra with high temporal resolution, RAS monolayer oscillations during growth of GaAs were studied and it was shown that the surface changes periodically between a relatively smooth morphology with adsorbed methyl groups (type III) and a stepped, gallium-rich surface (type II). Furthermore the non-reversible process of growing InAs quantum dots on GaAs was studied. It was shown that the multichannel RAS is capable of detecting the 2D-3D transition as well as the following morphological change of the surface at high temporal resolution. For the measurement of the doping level, the relationship between the doping-induced internal electric field and the anisotropy of the sample was studied (linear electro-optic effect). It was found that the doping level can be determined with multichannel RAS. For the first time, an effect is described that can be observed during growth of successive layers of e.g. GaAs or InP with different doping concentration: the RAS signal oscillates similar to Fabry-Pérot oscillations known from reflectometry. These oscillations can be utilised to determine a growth rate in homoepitaxy in situ, which is otherwise only possible in a strongly restricted growth parameter range and only during a short time-frame (monolayer oscillations). Together with the information about the doping level, this effect can be employed to measure a doping level profile in situ. To understand the effect of the so-called doping oscillations, a theoretical model was developed. For the investigation of the thermal desorption of the III-V oxides in MOVPE, a number of test series were realised. Using a fixed temperature ramp, temperatures for the beginning and completion of the development of a reconstructed surface were determined with RAS. The SE signal was used to monitor the beginning and end of the reduction of the oxide layer thickness. These temperatures correlate with the binding energy of the corresponding III-V semiconductor. It was also found that the formation of the reconstructed surface is finished a considerable time after the SE transient indicates stable conditions (no further reduction of the oxide layer). The activation energy for oxide desorption from InAs, GaAs and InP was determined with SE to 0.64eV, 1.12eV and 1.42eV. The activation energy increases with the binding energy of the corresponding bulk semiconductor.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-15800
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1915
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1618
Exam Date: 23-Mar-2007
Issue Date: 13-Jun-2007
Date Available: 13-Jun-2007
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): Dotierung
III-V-MOVPE
Oxiddesorption
Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie
Spektroskopische Ellipsometrie
Doping
III-V-MOVPE
Oxide desorption
Reflectance Anisotropy Spectroscopy
Spectroscopic Ellipsometry
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