Loading…
Thumbnail Image

Spectral signatures and properties of carbon defects in GaN and AlN

Gamov, Ivan

FG Experimentelle Nanophysik und Photonik

Semi-insulating GaN and UV-transparent AlN are in demand in optoelectronics based on III-nitrides. Carbon (C) as an impurity is responsible for these properties of the materials. However, neither the compensation mechanism for С-doping of GaN nor the nature of the 4.7 eV absorption band in AlN is fully understood since C impurity is amphoteric. The variety of possible defect types is enormous and includes also complexes and intrinsic defects (such as nitrogen vacancies) while the proportion between the defects can change de-pending on the growth parameters and impurity concentrations. Unfortunately, usually, only indirect methods can be used for the identification of the point defect structure, which sometimes leads to excessive speculation. In this work, the structure of C-contained defects is determined by the isotopemass effect in vibration spectra, which is one of the most direct methods of analysis. Then, the new properties related to particular types of C-containing defects are investigated in GaN and AlN. In Chapter 5 of this work, the signatures of the defects in vibrational spectra are investigated. Seven types of C-containing defects in GaN and two in AlN are described by means of Fourier-Transform Infrared absorption Spectroscopy (FTIR) and Raman scattering. An excellent match of experimental results with calculated vibration frequencies is observed for numerous vibrational modes. In most cases, the isotopemass analysis leaves no doubt about the origin of the vibrations. It is illustrated how the chemical carbon concentration [C] defines the proportion between the defects in GaN and affects the (self-) compensation mechanism of C-doping. Signal intensities at different [C] in two series of GaN samples are discussed in Chapter 6. The defectrelated vibrations are found in all intentionally doped samples at [C] from 2×1017 to 3.5×1019 cm-3. Thus, it has been demonstrated that Raman scattering under the condition of resonant excitation of defects improves the sensitivity threshold by 1 - 2 orders of doping concentrations in comparison with trivial Raman scattering technique. At high [C] > 1019 cm-3, the broadening of the Raman lines indicated the significant drop of the lattice quality. The FTIR experiments under the UV-Vis excitation (photo-FTIR) at energy ~0.8×Eg or above evidence the interaction of the part of the defects with light. Also, the excitation of defects in their absorption range results in different emission bands found also in a good agreement with the theoretical predictions. The photo-induced band-mediated charge transfer is proposed for an explanation of the photo-FTIR effects in GaN. In the final Chapter 7, the influence of ~0.8×Eg irradiation now on AlN crystals is investigated. In addition to similar changes of the vibrational mode intensities, the UV irradiation results in photochromism. The photochromism of absorption bands (i.e., reversible, nevertheless, long-time stable, change of the absorption intensity) is a new observation in AlN crystals (and GaN though this phenomenon is not in the focus of this study) investigated by polarized UV-Vis absorption spectroscopy. Photochromism, in fact, provides the memory effect and the transparency control at one wavelength by excitation at another one in well-compensated material. The absorption polarization provided a qualitative comparison of the present defects and demonstrated an agreement of the effects with the band-mediated charge transfer model. Although C-containing defects are not the cause of photochromism, they are realized as an important criterion for its observation in samples.
Semi-isolierendes GaN und UV-transparentes AlN sind gefragte Materialien für die auf Gruppe-III-Nitriden basierende Optoelektronik. Kohlenstoff (C) als Verunreinigung beeinflusst diese Materialeigenschaften in entscheidender Weise. Allerdings ist weder der Kompensationsmechanismus der С-Dotierung in GaN noch die Natur des 4.7 eV-Absorptionsbandes in AlN vollständig geklärt, da C eine amphotere Verunreinigung ist. Es ist ein breites Spektrum an möglichen Defekttypen denkbar, einschließlich der Bildung von Komplexen und intrinsischen Defekten (wie Stickstoffleerstellen), wobei sich das Verhältnis zwischen verschiedenen Defekten mit den Wachstumsparametern und Verunreinigungskonzentrationen ändern kann. Leider sind in der Regel nur indirekte Methoden zur Identifizierung der Punktdefektstruktur möglich, und das führt manchmal zu übermäßigen Spekulationen. In dieser Arbeit wird die Struktur von C-haltigen Defekten durch den Isotopen-Massen-Effekt in Schwingungsspektren bestimmt, eine der direktesten Analysemethoden. Anschließend werden neue Eigenschaften von GaN und AlN untersucht, die auf die verschiedenen C-haltigen Defekte zurückzuführen sind. In Kapitel 5 dieser Arbeit werden Signaturen der Defekte in Schwingungsspektren untersucht. Sieben unterschiedliche C-haltige Defekte in GaN und zwei in AlN werden mittels Fourier-Transform-Infrarot-Absorptionsspektroskopie (FTIR) und Raman-Streuung untersucht. Für zahlreiche Schwingungsmoden wird eine hervorragende Übereinstimmung der experimentellen Ergebnisse mit den berechneten Schwingungs¬frequenzen festgestellt. In den meisten Fällen kann die Schwingungsmode über die die Isotopen-Massen-Analyse zweifelsfrei zugeordnet werden. Es wird gezeigt, dass wie chemische Konzentration an Kohlenstoff [C] das Verhältnis zwischen verschiedenen Defekten in GaN bestimmt und den (Selbst-) Kompensationsmechanismus der C-Dotierung beeinflusst. In Kapitel 6 werden die Signalintensitäten bei verschiedenem [C]-Gehalt in zwei Serien von GaN-Proben besprochen. Defektinduzierte Schwingungsmoden werden in allen absichtlich dotierten Proben mit einem [C]-Gehalt zwischen 2×1017 und 3.5×1019 cm-3 gefunden. Damit wurde nachgewiesen, dass die Raman-Streuung unter der Bedingung der Resonanzanregung von Defekten eine Empfindlichkeitsschwelle in Bezug auf die Dotierungskonzentration besitzt, die im Vergleich zur einfachen Raman-Streuung um 1–2 Größenordnungen niedriger liegt. Bei hohem [C]-Gehalt von über 1019 cm-3 deutet die Verbreiterung der Raman-Banden auf eine deutliche Verschlechterung der Kristallqualität hin. Die FTIR-Experimente unter UV-Vis-Anregung (Photo-FTIR) zeigen, dass ein Teil der Defekte bei einer bandkantennahen Anregung (0.8×Eg = 2.72 eV und darüber) mit dem Licht wechselwirkt. Auch die Anregung der Defekte in ihrem jeweiligen Absorptionsbereich führt zu verschiedenen Emissionsbanden, die ebenfalls in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Vorhersagen gefunden wurden. Der photoinduzierte, über das Valenz- oder Leitungsband ablaufende Ladungstransfer wird als Erklärung für die Photo-FTIR-Effekte in GaN vorgeschlagen. Im abschließenden Kapitel 7 wird der Einfluss einer Bestrahlung bei 0.8×Eg = 4.88 eV auf AlN-Kristalle untersucht. UV-Bestrahlung führt sowohl zu einer ähnlichen Änderung der Intensität der Schwingungsmoden als auch zu einem photochrome Effekt. Der photochrome Effekt der Absorptionsbanden (d.h. eine reversible, aber dennoch langzeitstabile Änderung der Absorptionsintensität) wurde in AlN-Kristallen (und GaN, obwohl dieses Phänomen nicht im Fokus dieser Arbeit steht) bisher nicht beobachtet und hier durch polarisierte UV-Vis-Absorptionsspektroskopie untersucht. Der photochrome Effekt sorgt für den Memory-Effekt und die Kontrolle der Transparenz eines gut kompensierten Materials bei einer Wellenlänge durch optische Anregung bei einer anderen Wellenlänge. Die Polarisation der Absorption ermöglicht die qualitative Bestimmung der vorliegenden Defekte und die Effekte stimmen mit dem Modell eines über das Valenz- oder Leitungsband ablaufenden Ladungstransfers gut überein. Obwohl C-haltige Defekte den photochromen Effekt nicht direkt verursachen, dienen sie als wichtiges Kriterium für das Auftreten dieser Eigenschaft.