This work presents the optical characterisation of GaN and GaN/AlGaN/GaN HEMT structures with Ga-polarity. Photoreflectance (PR), electroreflectance (ER), photoluminescence (PL), and spectroscopic ellipsometry (SE) measurements have been carried out for determination of the main properties. A GaN sample grown by HVPE was used as unstrained reference and was investigated with PL and PR for the determination of the transition energies of the excitons. The PR and PL yielded transition energies of the free A and B-excitons of the GaN samples. Measurements from T=5K to the ambient temperature were accomplished to specify the strain in GaN. SE at GaN and AlGaN-samples was used to obtain the layer thicknesses. A first unknown structure at 3,72eV was observed at GaN/AlGaN/GaN heterostructures. The following temperature-dependent photocurrent- and ER- measurements clarified the origin of the signal. In consequence of these experiments a thin AlGaN layer with about 15% Al was grown at the surface instead of pure GaN. - PL measurements in the temperature range from 5K to 295K were accomplished to determine the three free-excitons (A, B and C) in GaN. The Comparison of these temperature-dependent transition energies to the unstrained HVPE sample allows the determination of the strain condition at each temperature. From ER measurements at the HEMT structures the FKOs were analysed to achieve the internal electrical field of the barrier. - Thus the two- dimensional electron gas (2DEG) density was determined in dependence on the DC voltage. Measurements of the spectra at 5K, 80K and 295K prove the independence of the threshold field of the 2DEG at these temperatures. The polarisation gradients at the AlGaN/GaN interface were examined by means of the threshold field from ER measurements. Optical results in comparison to XRD measurements indicate a small deviation in the polarisation gradient. The reason for this disagreement is probably caused by an incorrect used bowing parameter taken from literature.
In der vorliegenden Arbeit wurden die optischen Eigenschaften von GaN- und GaN/AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen mit Ga-Polarität untersucht. Einen Schwerpunkt bildete die Charakterisierung der Proben durch Photoreflexion (PR), Photolumineszenz (PL) und Elektroreflexion (ER) und spektrale Ellipsometrie (SE). Als Referenz diente eine unverspannte GaN-Probe, die mit PL und PR zur Bestimmung der Exzitonenübergangsenergien untersucht wurde. Die Methode der Photoreflexion und Photolumineszenz wurden benutzt, um die Übergangsenergien der freien A- und B-Exzitonen der GaN-Proben zu ermitteln. Messungen von T=5K bis zur Raumtemperatur wurden durchgeführt, um eine Aussage zur Verspannung der GaN-Proben zu treffen. - Mittels Ellipsometriemessungen an den GaN-Proben und den Heterostrukturen wurden die Schichtdicken der einzelnen Proben bestimmt. Dabei wurde eine zunächst unbekannte Struktur an GaN/AlGaN/GaN-Proben bei ca. 3,72eV festgestellt. Anschließende temperaturabhängige Photostrom- und ER-Messungen dienten zur Klärung der Ursache des Signals. Als Konsequenz aus diesen Experimenten ergibt sich, dass beim Wachstum der abschließenden Deckschicht kein reines GaN entsteht, sondern eine dünne AlGaN-Schicht mit einem Al-Gehalt im Bereich von 15\%. - An den AlGaN/GaN-Strukturen wurden PL-Experimente im Temperaturbereich von 5K bis 295K durchgeführt um ebenfalls die drei charakteristischen Exzitonen vom GaN zu bestimmen. Mittels eines Vergleichs der Ergebnisse aus den PL- und PR-Experimenten im Bereich des GaN mit der HVPE-Probe konnten quantitative Aussagen über den Verspannungszustand der Proben abhängig von der Temperatur gemacht werden. - Aus den ER-Daten an den HEMT-Strukturen wurden die Franz-Keldysh-Oszillationen (FKO) zur genauen Bestimmung der internen elektrischen Felder in der Barriere analysiert. Daraus erhält man die 2DEG-Dichten in Abhängigkeit von der äußeren Gleichspannung. Messungen der ER-Spektren bei 5K, 80K und 295K beweisen die Unabhängigkeit der Verarmungsfeldstärke des 2DEG von der Temperatur. Die temperaturunabhängigen Polarisationsgradienten an der AlGaN/GaN-Grenzfläche wurden aus dem Experiment mit Hilfe der Feldstärke im Bereich der Verarmung des Elektronengases bestimmt. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit experimentellen Werten aus Röntgenmessungen, die den Al-Gehalt und die Gitterkonstanten der Proben liefern, zeigt leichte Abweichungen. Die Ursache dieser fehlenden Übereinstimmung liegt möglicherweise in einem falsch verwendeten Bowing-Parameter aus der Literatur.
Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 2006