Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von polaren Galliumnitrid-Schichten

Lorenz, Pierre GND

The material properties of group III - nitrides allows manifold applications. Especially for the GaN-based gas and biosensor technology, an understanding of the GaN surfaces and their interaction with molecules is crucial for the successful development of sensor systems. Especially the influence of crystal orientation, surface termination and reconstruction on the interaction was analysed. To study the interaction of the GaN surface with molecules the reproducible and controllable preparation of GaN surfaces is necessary. Polar GaN layers were grown by molecular beam epitaxy. The surface reconstruction and termination could be selectively adjusted by the growth parameters or further preparation steps. On the Ga-polar surface, gallium-induced and nitrogen-induced 2x2 reconstructed as well as non-reconstructed surface modifications could be generated and on the N-polar surface non-reconstructed. The different surface modifications differ considerably in the formation of surface states. The Ga-induced and N - induced 2x2 reconstructed surfaces presented two surface states (SS) at 1,4 eV and 3 eV as well as 2 eV and 3 eV, respectively. The non-reconstructed GaN(0001) presented three SS (1.5eV, 2.5eV and 3.4 eV) and the GaN(000-1) one SS (2.5 eV). The theoretical predicted surfaces sates (density functional theory) shows a good agreement with the measurements. The analysis revealed a dependence of the interaction of GaN surfaces with O2 and H2O on the orientation, reconstruction, and surface termination of the films. The GaN(000-1) surface is much more reactive to oxygen and water than the (0001) orientated surfaces, while GaN is in general significantly more sensitive to water than to oxygen. The chemical bond configuration of the adsorbed species shows a significant dependence on surface termination. The measurements presented that the formation of nitrogen oxide and/or gallium oxide bonds depends on the surface modification. Furthermore the interaction follows to a change of the work function and the surface band bending. In addition to the fundamental investigations on clean GaN surfaces, the surface properties of GaN-based devices have been studied. The properties of GaN-based lateral polarity (LPH GaN), InAlN/GaN and biofunctionalized AlGaN/GaN heterostructures were determined.

Die Gruppe III – Nitride erlauben auf Grund ihrer Materialeigenschaften vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere für die GaN-basierte Gas- und Biosensorik ist ein Verständnis der Oberflächen sowie deren Wechselwirkung mit Molekülen entscheidend. Zur Analyse solcher Systeme wurden polare GaN Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Die Oberflächenrekonstruktion sowie die Terminierung konnten gezielt durch Variation der Wachstumsparameter bzw. weiteren Präparationsschritten eingestellt werden. Es wurden nichtrekonstruierte GaN(0001) und GaN(000-1) Oberflächen sowie Gallium- und Stickstoff-induzierte 2x2 rekonstruierte GaN(0001) Oberflächen hergestellt. Die unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen unterscheiden sich in der Ausbildung von Oberflächenzuständen. Bei den Ga-induzierte und N-induzierte 2x2 rekonstruierte Oberflächen lassen sich 2 Oberflächenzustände (SS) bei einer Bindungsenergie von 1,4 eV und 3eV bzw. 2eV und 3 eV finden. Bei der nichtrekonstruierten GaN(0001) wurden dagegen drei SS (1,5eV, 2,5eV und 3,4 eV) und bei der GaN(000-1) nur ein SS (2,5 eV) detektiert. Diese Ergebnisse weisen eine gute Übereinstimmung mit der mittels Dichtefunktionaltheorie berechneten Oberflächenzuständen auf. Nach der erfolgreichen Charakterisierung wurde die Wechselwirkung mit Sauerstoff und Wasser untersucht. Dabei wurde eine Abhängigkeit der Reaktion der Oberflächen von der Orientierung, Rekonstruktion sowie Terminierung gefunden. GaN(000-1) Oberflächen sind gegenüber Sauerstoff und Wasser deutlich reaktiver als GaN(0001) orientierte Oberflächen, wobei beide GaN Oberflächenmodifikationen gegenüber Wasser deutlich reaktiver als gegenüber Sauerstoff sind. Weiterhin führt die Wechselwirkung zu einer Veränderung der Austrittsarbeit und der Oberflächenbandverbiegung. Die chemische Anbindung der Moleküle weist eine Abhängig von der Terminierung auf. Es ließen sich abhängig von der Oberflächenmodifikation sowohl Stickstoffoxid- als auch Galliumoxidbindungen nachweisen. Neben der grundlagenforschungsorientierten in-situ Untersuchung von GaN Oberflächen wurden ebenfalls GaN-basierte Bauelemente untersucht. Es wurden die Oberflächeneigenschaften von GaN-basierten „lateral polarity“ (LPH GaN), InAlN/GaN und biofunktionalisierte AlGaN/GaN Heterostrukturen ermittelt.

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Lorenz, Pierre: Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von polaren Galliumnitrid-Schichten. 2011.

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