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Main Title: Optische Eigenschaften von Aluminium-Galliumnitrid-Halbleitern
Translated Title: Optical properties of aluminium-gallium-nitride semiconductors
Author(s): Röppischer, Marcus
Advisor(s): Esser, Norbert
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In dieser Arbeit wurden grundlegende optische Eigenschaften von AlN, GaN und ihren Mischkristallen vorgestellt und interpretiert. Spektrale Ellipsometrie in einem ausgedehnten Spektralbereich vom nahen Infraroten (NIR) bis ins Vakuumultraviolette (VUV) war dabei die Hauptuntersuchungsmethode. Erstmalig war es möglich eine geschlossene dielektrische Funktion (DF) von kubischem Zinkblende (zb) und hexagonalem Wurtzit (wz) GaN (AlN) im Spektralbereich zwischen 0.6 eV und 20 eV zu bestimmen und anschließend mit einem geeigneten Schichtmodell zu analysieren. Bei der Modellierung wurden sowohl Oberflächenrauhigkeiten als auch etwaige Pufferschichten berücksichtigt. Infolgedessen war eine Separation der DF der zu untersuchenden Schicht im gesamten Bereich möglich. Anschließend erfolgte die ausführliche Interpretation aller ermittelten Absorptionsstrukturen in den DF. Durch den Vergleich mit zuvor berechneten Bandstrukturen konnten den einzelnen Banden Übergänge an Punkten hoher Symmetrie in der Brillouin Zone (BZ) zugeordnet werden. Im Zuge dieser Analyse wurden Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen GaN und AlN herausgearbeitet und deren Entwicklung im AlGaN-Mischsystem verfolgt. So konnte für zb-AlN im Gegensatz zu zb-GaN eine indirekte Bandlücke nachgewiesen werden. Darüber hinaus erfolgt eine energetische Vertauschung der Interbandübergänge am L-(E1) und X-Punkt(E2) zwischen den beiden kubischen Materialien. Ein weiteres wesentliches Ergebnis liegt in der Bestimmung der Bänderreihenfolge von wz-AlN im Zentrum der BZ. Dabei zeigte sich im Vergleich zu GaN eine Vertauschung der beiden obersten Valenzbänder wodurch die optischen Auswahlregeln grundlegend geändert werden. Infolge der analytischen Auswertung des Bandkantenbereichs der anisotropen DF von wz-AlN konnte die Spin-Bahn- und Kristallfeld-Aufspaltung für dieses Material ermittelt werden. Des Weiteren liefert diese detaillierte Analyse Exzitonenübergangsenergien von 6.0465 eV, 6.2694 eV und 6.2775 eV bei T=15K für nahezu verspannungsfreies Material. Im Vergleich zu Raumtemperaturmessungen zeigt sich eine Verschiebung beider Absorptionskanten von ungefähr 80 meV. Auf Grundlage der energetischen Lage der Absorptionskante in Verbindung mit gemessenen Gitterparametern verschiedener AlN-Schichten auf Silizium-, Saphir- und SiC-Substrat konnten Verspannungseinflüsse auf die optischen Eigenschaften untersucht werden. Diesbezüglich wurden die Deformationspotentiale für wz-AlN in kubischer Näherung ermittelt. Aus der Analyse des Transparenzbereichs unterhalb der fundamentalen Absorptionskante von kubischen AlGaN Proben konnte ein Modell zur Beschreibung der Dispersion in diesem Bereich mit beliebigem Mischungsverhältnis entwickelt werden. Des Weiteren kann mit Hilfe dieses Modells die Hochfrequenz-Dielektrizitätszahl für jede Zusammensetzung abgeschätzt werden.
In this work fundamental optical properties of AlN, GaN and their alloys are presented. Spectroscopic ellipsometry from the near infrared (NIR) to the vacuum-ultraviolet (VUV) spectral region was the main tool to investigate these properties. The complete dielectric function (DF) of cubic as well as hexagonal GaN and AlN in the range between 0.6 eV and 20 eV is shown here, for the first time. A layer model including surface roughness and buffer layers was used to separate the DF of the investigated layer from the measured pseudo-DF. Afterwards all absorption structures in the DF's are discussed in detail. Due to the comparison with calculated bandstructures these absorption structures could be connected to interband transitions at high symmetry points in the brillouin zone (BZ). Within this analysis similarities and differences between GaN and AlN are discussed. For zincblende (zb) AlN a pronounced absorption tail below the direct band gap transition was detected. This behaviour is typical for a phonon-assisted indirect absorption. In contrast zb-GaN exhibits a clear direct absorption. Furthermore, a change in the energetic position of the two main interband absorptions E1 and E2 at the L- and X-point of the BZ was found. A detailed analysis of the anisotropic fundamental band gap of hexagonal AlN offers a interchange of the two topmost valance bands at the BZ center compared to GaN. Due to this permutation the fundamental band edge of wurtzit (wz) AlN is only visible for parallel polarized light, while for GaN it can be detect in the perpendicular configuration. By analysing the energetic position of the three excitonic transitions the crystal-field- and spin-orbit-splitting were defined to be -226 meV and 14 meV. In addition, the energetic positions for these transitions at T=15K are 6.0465 eV, 6.2694 eV and 6.2775 eV. The comparison between measurements at room and low temperature shows an energetic shift for both absorption edges of about 80 meV. By comparing the energetic positions of the excitonic transitions with the lattice parameters of different samples on silicon, sapphire and SiC substrate the influence of strain on the optical properties of wz-AlN was investigated. Due to this analysis the deformation potentials within the cubic approximation were calculated. Finally the spectral region below the fundamental band gap absorption of cubic AlGaN layers were studied. Therefore an analytical model was developed to calculate the dispersion in the transparent range for an arbitrary Al-content.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-32062
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3238
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2941
Exam Date: 17-Aug-2011
Issue Date: 24-Aug-2011
Date Available: 24-Aug-2011
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Aluminiumnitrid
Drei-Fünf-Halbleiter
Ellipsometrie
Galliumnitird
Optische Eigenschaften
Aluminiumnitrid
Ellipsometry
Galliumnitrid
Optical properties
Three-five-semiconductors
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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