Dielektrische Funktion und elektrooptische Eigenschaften von (Al,Ga)N/GaN-Heterostrukturen

Buchheim, Carsten

In der vorliegenden Arbeit werden umfangreiche Untersuchungen an Nitridhalbleitern mittels optischer Spektroskopie vorgestellt. Es werden erstmalig sowohl die ordentliche als auch die außerordentliche Komponente der dielektrischen Funktion von GaN über einen ausgedehnten Spektralbereich von 1,2 bis 9,8~eV gezeigt. Es wird demonstriert, daß auch der transparente Spektralbereich deutlich durch hochenergetische kritische Punkte der Bandstruktur beeinflußt wird. Unter Berücksichtigung der Verspannung werden die optischen Auswahlregeln für GaN und AlN verifziert. Die Umkehr der Valenzbandreihenfolge bei AlN im Gegensatz zu GaN wird nachgewiesen sowie die Kristallfeldenergie für AlN abgeschätzt. Für AlGaN gelingt es, die ordentliche dielektrische Funktion für verschiedene Al-Gehalte zu bestimmen und daraus ein analytisches Modell für deren Berechnung bei beliebiger Mischkristallzusammensetzung abzuleiten. Hierbei werden exzitonische Effekte sowie Nichtlinearitäten in den Abhängigkeiten berücksichtigt. (GaN/)AlGaN/GaN-Heterostrukturen werden mit Spektralellipsometrie und anschließend mittels Photo- bzw.\ Elektroreflexion untersucht. Aus den optischen Daten werden die elektrischen Feldstärken der einzelnen Schichten ermittelt, um daraus die Dichten der an den Heterogrenzflächen auftretenden zweidimensionalen Ladungsträgergase mit großer Genauigkeit zu bestimmen. Durch die Kombination der Experimente mit selbstkonsistenten Schrödinger-Poisson-Rechnungen können die Oberflächenpotentiale berechnet werden. Die Abhängigkeit vom Al-Gehalt wird quantifiziert. Für den Spezialfall dicker Deckschichten wird erstmals der experimentelle Nachweis für die Koexistenz von zweidimensionalen Elektronen- und Löchergasen innerhalb einer Probe erbracht. Bei AlN/GaN-Supergittern werden verschiedene Interbandübergänge zwischen quantisierten Zuständen mittels Elektroreflexion beobachtet. Durch den Vergleich mit quantenmechanischen Rechnungen wird der Einfluß der Verspannung und der ihrerseits verspannungsabhängigen elektrischen Feldstärken (Quantenstarkeffekt) deutlich. Für beide Parameter hat das Schichtdickenverhältnis von Quantengräben und Barrieren eine wichtige Bedeutung. Aus der Bestimmung der dielektrischen Funktion der Supergitter wird ersichtlich, daß in derartigen Strukturen auch höherenergetische kritische Punkte der Bandstruktur von Quanteneffekten geprägt sind.

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Buchheim, Carsten: Dielektrische Funktion und elektrooptische Eigenschaften von (Al,Ga)N/GaN-Heterostrukturen. 2010.

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