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Wachstum und Charakterisierung von AlSb/InAs- und AlInSb/InSb-Quantentopfstrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie

Sigmund, Jochen :
Wachstum und Charakterisierung von AlSb/InAs- und AlInSb/InSb-Quantentopfstrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Wachstum und Charakterisierung von AlSb/InAs- und AlInSb/InSb-Quantentopfstrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum mittels Molekularstrahlepitaxie von Quantentopfstrukturen aus den Halbleitersystemen AlSb/InAs und AlInSb/InSb untersucht. Strukturell charakterisiert wird das Wachstum mit in situ Reflection-High-Elektron-Energy-Diffraction (RHEED), sowie den ex situ Methoden der Transmissionselektronenmokroskopie, der Röntgendiffraktometrie und der Rasterelektronenmikroskopie. Die Ergebnisse der strukturellen Untersuchungen werden mit den elektrischen Transporteigenschaften verglichen. Mit Hall-Messungen wird die Ladungsträgermobilität und Konzentration zwischen 1,3 K und 298 K bestimmt. Die Quantisierung der Ladungsträger wird mit Shubnikov-de Haas Oszillationen und dem Quanten Hall-Effekt untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Grenzflächenoptimierung von AlSb/InAs. Das Grenzflächenwachstum hat einen erheblichen Einfluss auf die Transporteigenschaften, was zu Tieftemperaturmobilitätsunterschieden von einer Größenordnung führen kann. Der gleichzeitige Wechsel von Kationen und Anionen stellt hier eine besondere Herausforderung dar, um eine abrupte, defektfreie Grenzfläche zu erhalten. Durch eine neue, erweiterte Migration-Enhanced-Epitaxy-Methode, bei der InSb-Bindungen erzeugt werden und anschließend eine zusätzliche Wachstumsunterbrechung unter einem Arsenfluss eingeführt wird, kann die Grenzflächenqualität verbessert werden. Es wird gezeigt, dass mit RHEED-Intensitätsmessungen während der neu eingeführten Wachstumsunterbrechung die Qualität der Grenzfläche in situ kontrolliert werden kann. Des weiteren wird bei den AlSb/InAs-Strukturen der Einfluss der Quantentopfbreite auf die Transporteigenschaften untersucht. Eine Breite von 15 nm ist optimal für hohe Elektronenbeweglichkeiten. Die besten Ergebnisse zur Überwindung der 7,8 % Gitterfehlanpassung zum GaAs-Substrat werden mit einer Pufferschicht von 60 nm AlAs, 70 nm AlSb und 1800 nm GaSb erzielt. Ferner wird als Alternative zur Pufferschicht bei der gitterfehlangepasssten Heteroepitaxie das epitaktische Überwachsen eines vorstrukturierten Substrates demonstriert. Dies ist ein erster Schritt in Richtung einer neuen Klasse von Substraten. Für InSb-Quantentopfstrukturen wird die Präsenz von quantisierten Ladungsträgern demonstriert. Das Fehlen eines gitterangepassten III-V-Halbleiters als Barriere zu InSb und die große Gitterfehlanpassung von 14,6 % zum Substrat sind die limitierenden Faktoren für die Qualität des Quantentopfes. Trotz einer geringeren effektiven Elektronenmasse von InSb, ist die Ladungsträgermobilität bei tiefen Temperaturen niedriger, als bei InAs-Quantentopfstrukturen. Im letzten Kapitel der Arbeit wird ein Beitrag zur Forschung an ohmschen Kontakten auf n-GaSb präsentiert. Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung der Bauelemente wurden hier kleine Kontakte mit einem Durchmesser bis in den Nanometerbereich charakterisiert. Erstmals wurde dabei von einer strukturbedingten Mindestgröße für die Kontaktfläche berichtet, um reproduzierbare Kontakteigenschaften zu gewährleisten.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
This thesis investigates the growth of AlSb/InAs and AlInSb/InSb quantum well structures by using molecular beam epitaxy. The atomic morphology of the growth is characterized by in situ reflection high-electron energy diffraction (RHEED), as well as by ex situ methods, such as transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM). The results obtained through structural characterization are compared with the electrical transport properties. The electron mobility and concentration of the quantum well structures are determined by temperature dependant Hall measurements between 1.3 K and 298 K. Moreover the quantizied carriers are characterized by the Shubnikov-de Haas oscillations and the quantum Hall-effect. Special attention is paid to the AlSb/InAs interface growth. The interface growth conditions have a high influence on the transport properties, leading to mobility differences of one order of magnitude at low temperatures. The challenging part for the interface growth is to achieve a defect-free, abrupt interface while the cations and the anions have to be changed. It will be shown, that the interface quality can be increased by a newly extended migration-enhanced-epitaxy-method, including the formation of InSb-bonds, followed by a growth interruption under an Arsenic flux. The quality of the interface can be monitored in situ by measuring the RHEED-intensity during the new growth interruption under an Arsenic flux. Moreover the influence of the quantum well width of AlSb/InAs structures is investigated. A width of 15 nm is optimal to achieve high electron mobilities. The best results to overcome the 7.8 % lattice mismatch between the GaAs substrate and the InAs well are obtained by using a buffer layer system of 60 nm AlAs, 70 nm AlSb, and 1800 nm GaSb. Furthermore, epitaxial overgrowth of a lattice mismatched, pre-structured substrate is demonstrated, as an alternative strategy to a buffer system. This is a first step towards a new type of substrate. Quantized carriers are demonstrated for InSb quantum well structures. The lack of a lattice matched III-V-semiconductor barrier material to InSb and the large lattice mismatch of 14.6 % to the GaAs substrate are the limiting quality factors for these quantum wells. Despite the lower effective electron mass of InSb, the electron mobility is lower than for InAs quantum well structures at low temperatures. The last chapter of this thesis presents a contribution to the research on ohmic contacts for n-GaSb. Due to a further miniaturization of electrical devices, small contacts with diameters down to the nanometer scale were characterized. For the first time a structural critical size for the contact area is reported to ensure reproducible contact properties.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000405
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4055
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Fueß, Prof. Dr. Hartmut and Hartnagel, Prof. Dr. Hans-Ludwig
Refereed: 16 December 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/405
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