Spektralellipsometer
Final Report Abstract
Das beschaffte Gerät wird für die Durchführung generalisierter Ellipsometrie und polarisierter Reflexions- /Transmissions-Messungen eingesetzt. Die Auswertung der Daten liefert die Komponenten des Dielektrizitätstensors im Spektralbereich von 0.5 eV bis 6.6 eV, so dass ein Überlapp mit Ellipsometriedaten bis in den mittleren infraroten Spektralbereich (>30 meV) und Synchrotron-basierter Ellipsometrie (bis 20 eV, BESSY II des HZB Berlin). Die dadurch zur Verfügung stehenden komplexen dielektrischen Funktionen (DF) für unterschiedliche Polarisation der elektromagnetischen Wellen bilden die Grundlage (i) für die Optimierung des Aufbaus von Mehrfachschichtstrukturen (Wellenleiterstrukturen oder dielektrische/epitaktische Braggspiegel) und (ii) für die Bestimmung grundlegender Bandstrukturparameter von Halbleitern. Dadurch wurden auf folgenden Gebieten wesentliche Erkenntnisfortschritte erzielt: (1) Die DFs von hexagonalen halbleitenden InxAl1-xN und GaxAl1-xN Mischkristallen erfolgte für den gesamten Kompositionsbereich, so dass ein Beitrag zur Optimierung der Schichtdicken von epitaktischen Braggspiegeln und von verschiedenen Dielektrika für dielektrische Spiegel mit Einsatz in vertikalen Kavitäten für resonate, oberflächenemittierende Laserstrukturen geleistet wurde (Spiegelreflektivität ~99.5% wurden so realisiert). (2) Die Bestimmung der optischen Anisotropie von semipolaren GaxAl1-xN über einen weiten Spektralbereich, insbesondere im Bereich der fundamentalen Absorptionskante, erfolgte mit dem Ziel, die charakteristische Aufspaltung der oberen Valenzbänder in der Umgebung des Γ-Punktes als Funktion der Zusammensetzung aufzuklären. Unter Berücksichtigung der Verzerrung und der sich daraus ergebenden relativen Oszillatorstärken wurden der Bowingparameter für die Beschreibung der Änderung der Bandlücke, der Kreuzungspunkt der Bänder mit unterschiedlicher Symmetrie sowie die Kompositionsabhängigkeit der Kristallfeldenergie ermittelt. Die DFs wurden zudem herangezogen, um die Besonderheiten von Synchrotron-basierter Photolumineszenz-Anregungsspektroskopie (DESY Hamburg) an p-dotierten AlGaN-Schichten erklären zu können. (3) Der Einfluss hoher Elektronendichten auf die DF und vor allem auf die Verschiebung der Absorptionskante von hexagonalem GaN wurde umfassend untersucht. Das Verhalten lässt sich quantitativ beschreiben unter Berücksichtigung von Vielteilcheneffekten, d.h. von Elektron-Loch-, Elektron-Ion-, und Elektron-Elektron-Wechselwirkung (Wannier-Exzitonen und deren Abschirmung, Bandkantenrenormierung und effektiver Burstein-Moss-Effekt). (4) Die ellipsometrischen Untersuchungen an kubischen GaxAl1-xN lieferten im ersten Schritt die DFs, aus deren Anpassung dann charakteristische Übergangsenergien ermittelt wurden. Unter Einbeziehung von Bandstrukturberechnungen (Uni Paderborn) konnte schließlich die kritische Komposition ermittelt werden, bei der der Übergang vom optisch direkten zum indirekten Verhalten erfolgt. (5) Die optischen Eigenschaften von kubischem In2O3 und SnO2 in Rutilstruktur als zwei wichtigen Vertretern der transparent-leitfähigen Oxide (TCO) wurden einer kritischen Evaluation unterzogen. Die Analyse der isotropen bzw. anisotropen DFs lieferte zum einen die Übergangsenergien im Bereich kritischer Punkte der Bandstruktur. Zum anderen wurde gezeigt, dass sich die effektive Burstein-Moss-Verschiebung als Funktion der Elektronendichte quantitativ vollständig erklären lässt, wenn man die Nichtparabolizität des Leitungsbandes (aus Infrarot-Ellipsometrie bestimmte effektive Masse) konsequent mit einbezieht (Renormierung der Bandlücke und Bandfüllung).
Publications
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Anisotropic absorption and emission of bulk (1-100) AlN“ Phys. Rev. B 87(23), 235209/1-9 (2013)
M. Feneberg, M.F. Romero, M. Röppischer, C. Cobet, N. Esser, B. Neuschl, K. Thonke, M. Bickermann, R. Goldhahn
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„Ge as surfactant in metal-organic vapor phase epitaxy growth of a-plane GaN exceeding carrier concentrations of 10^20 cm^-3“ Appl. Phys. Lett. 103(1), 012103 (2013)
M. Wieneke, H. Witte, K. Lange, M. Feneberg, A. Dadgar, J. Bläsing, R. Goldhahn, A. Krost
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„Transition energies and direct-indirect band gap crossing in zinc-blende Al x Ga 1-x N“ Phys. Rev. B 87(19), 195210/1-21 (2013)
M. Landmann, E. Rauls, W.G. Schmidt, M. Röppischer, C. Cobet, N. Esser, T. Schupp, D.J. As, M. Feneberg, R. Goldhahn
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„Band gap renormalization and Burstein-Moss effect in silicon- and germanium-doped wurtzite GaN up to 10^20 cm^-3 “ Phys. Rev. B 90(07), 075203/1-10 (2014)
M. Feneberg, S. Osterburg, K. Lange, C. Lidig, B. Garke, R. Goldhahn, E. Richter, C. Netzel, M.D. Neumann, N. Esser, S. Fritze, H. Witte, J. Bläsing, A. Dadgar, A. Krost
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„Optical properties of magnesium doped Al x Ga 1-x N (0.61 ≤ x ≤0.73)“ J. Appl. Phys. 116(14), 143103/1-7 (2014)
M. Feneberg, S. Osterburg, M.F. Romero, B. Garke, R. Goldhahn, M.D. Neumann, N. Esser, J. Yan, J. Zeng, J. Wang, J. Li
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„Ordinary and extraordinary dielectric functions of rutile SnO 2 up to 20 eV “ Appl. Phys. Lett. 104(23), 231106 (2014)
M. Feneberg, C. Lidig, K. Lange, R. Goldhahn, M.D. Neumann, N. Esser, O. Bierwagen, M.E. White, M.Y. Tsai, J.S. Speck
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„Temperature dependent dielectric function and reflectivity spectra of nonpolar wurtzite AlN“ Thin Solid Films 571, 502-505 (2014)
M. Feneberg, M.F. Romero, B. Neuschl, K. Thonke, M. Röppischer, C. Cobet, N. Esser, M. Bickermann, R. Goldhahn
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„Anisotropic optical properties of semipolar AlGaN layers grown on m-plane sapphire “ Appl. Phys. Lett. 106(18), 182102 (2015)
M. Feneberg, M. Winkler, J. Klamser, J. Stellmach, M. Frentrup, S. Ploch, F. Mehnke, T. Wernicke, M. Kneissl, R. Goldhahn
