Zum Einbau von Kohlenstoff aus gasförmigen Quellen bei der Mombe von GaAs

Mörsch, G.

Book/Report

FZJ-2018-03446

Zum Einbau von Kohlenstoff aus gasförmigen Quellen bei der Mombe von GaAs

Mörsch, G. (Corresponding author)FZJ*

1991
Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag Jülich

Jülich : Forschungszentrum Jülich GmbH Zentralbibliothek, Verlag, Berichte des Forschungszentrums Jülich 2470, 66 p. (1991)

Please use a persistent id in citations: http://hdl.handle.net/2128/18888

Report No.: Juel-2470

Abstract: Die in dieser Arbeit erzielten Ergebnisse geben einen Einblick in die Einbaumechachanismen von Kohlenstoff aus den in der MOMBE verwendeten Duellmaterialien und die Eigenschaften des Kohlenstoffs in GaAs. Es wurde festgestellt, daß der extrinsische Einbau von Störstellen bei der Epitaxie mittels TEGa für Wachstumstemperaturen unterhalb T$_{W}$=815 K und für Ladungsträgerkonzentrationen p < 10$^{15}$ cm$^{-3}$ berücksichtigt werden muß; bei anderen Wachstumsbedingungen und bei der Verwendung von TMGa als Quellmaterial jedoch keine Rolle spielt. Die untersuchten verschiedenen Substratorientierungen und die Variation des As$_{2}$/As$_{4}$-Verhältnisses über die Injektortemperatur ließen keinen signifikanten Einruß auf den intrinsischen Kohlenstoffeinbau erkennen. Durch erstmalige Trennung der Einflüsse der Wachstumstemperatur und des V/III-Verhältnisses konnte nachgewiesen werden, daß der Kohlenstoffeinbau einthermisch aktivierter Prozeß ist. Die dabei gefundenen verschiedenen Aktivierungsenergien für verschiedene V/III-Verhältnisse lassen auf mehrere verschiedene Einbaumechanismen schließen. Die Ergebnisse lassen sich nur zum Teil durch einen Einbaumechanismus erklären, bei dem der Einbau von Kohlenstoff durch das thermische Aufbrechen der Ga-C Bindungen begrenzt ist. So kann die um etwa drei Größenordnungen höhere Konzentration des eingebauten Kohlenstoff bei der Verwendung von TMGa anstelle von TEGa als Quellmaterial durch die unterschiedliche Bindungsstärke des Kohlenstoff zum Metallatom hin erklärt werden. Die beobachtete Abhängigkeit des Kohlenstoffeinbau von der Wachstumstemperatur kann jedoch qualitativ nur verstanden werden, indem Mechanismen zur Reduzierung des Kohlenstoffeinbaus mit in Betracht gezogen werden. Die immense Verringerung der C-Konzentration in GaAs durch die Erhöhung des während der Epitaxie herrschenden V/III-Verhältnisses zeigt die große Bedeutung des Arsen- und Wasserestoffangebots für die Reduzierungsmechanismen des Kohlenstoffeinbaus auf. Verschiedene mögliche solcher Mechanismen wurden diskutiert. Ein allgemein vorherrschender Prozeß konnte nicht bestimmt werden; vielmehr deuten die ermittelten Ergebnisse auf mehrere konkurrierend ablaufende Reaktionen hin, die je nach Wachstumsbedingungen unterdrückt oder bevorzugt werden. Einen tieferen Einblick in die auf der Oberfläche stattfindenden Reaktionen beim Einbau von Kohlenstoff könnten in unserer Anlage nicht durchführbare genauere Untersuchungen der vonder Oberfläche desorbierten Spezies mittels MBMS geben. Die ermittelten Daten aus den Messungen der elektrischen und optischen Eigenschaften der mitKohlenstoff dotierten Schichten zeigen, daß Kohlenstoff in GaAs als akzeptorartige Störstelle eingebaut wird. Ein direkter Einfluß der Konzentration des eingebauten Kohlenstoffs auf die Morphologie oder die Kristallinität der Schichten konnte selbst bei den höchsten erreichten p-Ladungsträgerkonzentrationen von 1.9X10$^{20}$ cm$^{-3}$ nicht festgestellt werden. Bei Kohlenstoffkonzentrationen oberhalb von 10$^{19}$ cm$^{-3}$ zeigt sich eine deutliche Verringerung der Gitterkonstante aufgrund des im Vergleich zu Ga und As kleineren kovalenten Radius des Kohlenstoffs; die Abhängigkeit der Gitterkonstante von der Konzentration des auf substituellen Gitterplätzen eingebauten Kohlenstoffs kann durch ein Vegardsches Gesetz ausgedrückt werden. Zu hohen Konzentrationen hin wird Kohlenstoff zunehmend auch in das Ga-Untergitter eingebaut, was zu einer Selbstkompensation der elektrischen Ladungsträger führt; weiter gibt es Indizien dafür, daß der Kohlenstoff schon während der Epitaxie auch auf Zwischengitterplätzen eingebaut wird. Messungen an getemperten Schichten haben gezeigt, daß die hohen Konzentrationen von Kohlenstoff auf substituelle Gitterplätze nur metastabil sind; die Ergebnisse lassen auf einen durch das Tempern beschleunigten Wechsel des Kohlenstoff auf Zwischengitterplätze schließen. Dies beschränkt zwar im Prinzip die Verwendbarkeit des hoch Kohlenstoff (> 5x10$^{19}$ cm$^{-3}$) dotierten GaAs in Bauelementen auf passive Schichten wie zum Beispiel Kontaktschichten, im Vergleich mit den Eigenschaften anderer als Akzeptor eingebauten Störstellen wie Be, Zn oder Mg ist Kohlenstoff jedoch als der für die Verwendung in Bauelementen geeigneste Akzeptordotierstoff im System GaAs/Al$_{x}$Ga$_{1-x}$As anzusehen.

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