Optische und elektronische Eigenschaften von AlGaN/GaN-Heterostrukturen

Winzer, Andreas T.

The electronic material properties of AlGaN/GaN heterostructures were investigated. The analysis of optical spectra by complex models allowed for the first time to confirm the theoretically predicted dependence of the polarisation discontinuity (also called polarisation charge) on the Al content by reliable experiments. Furthermore, it is shown that the polarisation discontinuity is constant over the temperature range from 5 K up to room temperature. The method employed here is based on the analysis of electroreflectance (ER) spectra and exploits the specific dependence of the electric field strength within a layer on the applied electric voltage. In this work this method is consequently refined to surpass all alternative methods in accuracy. ER spectra of group-III-nitrides posses some general peculiarities: (i) In direct proximity to the band gap they can not be described by constant Seraphin coefficients in contrast to small gap semiconductors (e.g. GaAs). (ii) Although, the analysis of the Franz-Keldysh oscillations by Aspnes’ method yields the correct values of the electric field strength as for small gap semiconductors. Optical and especially ER spectra of group-III-nitrides can only be described completely by taking into account for excitons in electric fields. For this a model proposed by Blossey was applied to nitride semiconductors and implemented into a software program. The approach presented is unique since it allows for a quantitative description of excitons in inhomogeneous electric fields. The good agreement between experiment and simulation supports the reliability of the material properties presented in this work. Furthermore, it was found that the energetic position of the exciton main resonance as well as its spectral width depend linearly on the electric field strength. The fuction of AlGaN/GaN heterostructures as chemical sensors was investigated too. If Pt contacted samples were exposed to hydrogen the density of their two dimensional electron gases were raised by some 10^{12} e/cm^2 while the Schottky barrier heights were lowered by up to 0.85 V. Wetting of the free surface of not contacted samples by a polar liquid (acetone) led to an increase of the surface potential by 30 mV and a decrease of the net surface charge density by 10^{11} e/cm^2.

Die vorliegende Arbeit behandelt die elektronischen Materialeigenschaften von AlGaN/GaN-Heterostrukturen. Die Auswertung optischer Spektren mit komplexen Modellen ermöglichte erstmals die Bestätigung des theoretisch vorausgesagten Verlaufes der Polarisationsdiskontinuität (auch Polarisationsladung genannt) in Abhängigkeit vom Al-Gehalt durch zuverlässige Experimente. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Polarisationsdiskontinuität im Bereich von 5 K bis Raumtemperatur konstant ist.Das hier verwendete Verfahren basiert auf der Auswertung von Elektroreflexions- (ER-)spektren und nutzt die spezifische Abhängigkeit der Schichtfeldstärke von der angelegten elektrischen Spannung. In dieser Arbeit wurde das Verfahren konsequent weiterentwickelt und übertrifft so alle alternativen Methoden in der Genauigkeit. ER-Spektren von Gruppe-III-Nitriden weißen generelle Besonderheiten auf. In unmittelbarer Nähe zur Bandkante können ER-Spektren im Gegensatz zu schmallückigen Halbleitern (z.B. GaAs) nicht durch konstante Seraphinkoeffizienten beschrieben werden. Jedoch ergibt die Analyse der Franz-Keldysh-Oszillationen nach der Aspnes’schen Methode wie bei schmallückigen Halbleitern die korrekten Feldstärkebeträge. Optische und insbesondere ER-Spektren von Gruppe-III-Nitridschichten lassen sich nur vollständig durch Berücksichtigung der Exzitonen im elektrischen Feld beschreiben. Dazu wurde in dieser Arbeit ein von Blossey vorgeschlagenes Modell auf die Nitride angewandt und in einer Software umgesetzt. Der dargestellte Ansatz zur Spektrensimulation ist dadurch einzigartig, dass man mit ihm Exzitonen in inhomogenen elektrischen Feldern quantitativ beschreiben kann. Die gute Übereinstimmung von berechneten und experimentellen Spektren bekräftigt die Zuverlässigkeit der in dieser Arbeit bestimmten Materialgrößen. Weiterhin wurde festgestellt, dass die energetische Position der Exzitonenhauptresonanz und deren spektrale Breite näherungsweise einer linearen Abhängigkeit von der elektrischen Feldstärke folgen. Die Wirkungsweise von AlGaN/GaN-Heterostrukturen als chemische Sensoren wurde ebenfalls untersucht. Werden Pt-kontaktierten Proben Wasserstoff ausgesetzt, erhöht sich die Dichte des zweidimensionalen Elektronengases um einige 10^{12} e/cm^2 und die Schottkybarriere verringert sich um bis zu 0,85 V. Bei Proben mit unkontaktierter Oberfläche führt die Benetzung mit einer polaren Flüssigkeit (Azeton) zu einer Potenzialerhöhung um 30 mV und zu einer Verringerung der Oberflächennettoladung um 10^{11} e/cm^2.

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Winzer, Andreas T.: Optische und elektronische Eigenschaften von AlGaN/GaN-Heterostrukturen. 2009.

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