Technology development for the growth of semi-insulating bulk GaN and investigation of in-situ carbon doping

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Matthias Bickermann; Professor Dr. Axel Hoffmann
• Subject Area: Thermodynamics and Kinetics as well as Properties of Phases and Microstructure of Materials ; Synthesis and Properties of Functional Materials
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 237652711

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Mittels chemischen Gasphasentransport mit HCN als Trägergas (Cyanotransport) sollten kontrolliert C-dotierte semi-isolierende (SI) GaN-Schichten gezüchtet und deren Eigenschaften untersucht werden. Die im Rahmen des Projektes gezüchteten C-dotierten Schichten hatten jedoch eine hohe Hintergrunddotierung an Sauerstoff- und Siliziumdonatoren und waren daher stark nleitend. Sie zeigten in den PL-Spektren gelbe Lumineszenz-Bänder und auf den V-Pit-Facetten Verbreiterung der bandkantennahen Peaks durch Burstein-Verschiebung, ein deutlicher Hinweis auf eine dort lokal erhöhte freie Ladungsträgerkonzentration. Die Mikro-Raman-Messungen bestätigten dieses Ergebnis. Damit wurde das eigentliche Projektziel, das Wachstum semi-isolierender Schichten, mit dieser Methode nicht erreicht. Die meisten Probleme entstanden durch die nur begrenzt kontrollierbare HCN-Synthese und die mit den zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der Substratpräparation nicht vermeidbare V-Pit-Bildung, die einen inhomogenen Einbau der Dotierstoffe und Verunreinigungen zur Folge hatte. Durch die Kopplung der Wachstumsrate mit der Kohlenstoffdotierung war erstere auf ca. 20 µm/h begrenzt. Höhere Raten führten zu C-Abscheidungen auf dem Pt-Katalysator und zu Ausscheidungen in der Schicht. Das Wachsen dickerer Schichten wurde damit sehr zeitaufwändig und blieb wegen häufiger auftretender Probleme am Pt-Katalysator für die HCN-Synthese auch störanfällig. Der Einsatz der in-situ Abgasspektroskopie mittels FTIR wurde hingegen erfolgreich in diesem Züchtungssystem angewandt. Es stellt ein wichtiges Hilfsmittel zur Optimierung der Prozessparameter dar, das sich auch für andere Epitxietechnologien (z.B. HVPE) eignet. Die Ergebnisse insgesamt sind wissenschaftlich relevant, da wesentliche Aspekte des Cyanotransports nun besser verstanden wurden. Im Vergleich zur klassischen HVPE zeigt unsere Methode jedoch keine Vorteile, ein Prozessfenster zur Herstellung semi-isolierender GaN-Schichten durch Kohlenstoffdotierung wurde damit jedenfalls nicht gefunden.

Publications

• FTIR exhaust gas analysis of GaN pseudo-halide vapor phase growth, Materials Chemistry and Physics 177 (2016) 12-18
  K. Kachel, D. Siche, S. Golka, P. Sennikov, M. Bickermann
  
• Carbon doped GaN layers grown by Pseudo-Halide Vapour Phase Epitaxy, Crystal Research and Technology 52 (2017) 1600364
  D. Siche, R. Zwierz, K. Kachel, N. Jankowski, C. Nenstiel, G. Callsen, M. Bickermann, A. Hoffmann
  
• Growth of Bulk GaN from Gas Phase, Crystal Research and Technology 53 (2018) 1700224
  D. Siche, R. Zwierz