Wachstum, experimentelle Analyse und ab-initio-basierte theoretische Simulation des Einflusses von Fremdatomen auf Wachstum und Eigenschaften von Quantenpunkten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurde der Einbau von stark fehlpassenden Atomen in quaternäre Legierungen am Beispiel von InGaAsN untersucht. Experimentelle Grundlage war die quantitative Analyse von mit der Molekularstrahlepitaxie hergestellten InGaAsN-Quantenfilmen mit transmissionselektronischen-mikroskopischen Methoden. Wichtige Ergebnis/Erkenntnisse dieser Untersuchungen war, dass (i) die N-Löslichkleit in InGaAsN mit dem In-Gehalt abnimmt und der Einbau von Stickstoff den Übergang zum 3D-Wachstum zu geringeren Temperaturen verschiebt. Mit der Dichtefunktionaltheorie wurde die Thermodynamik und Kinetik des N-Einbaus in GaAs und InAs detailliert untersucht. Im Rahmen dieses Projekts gelang es erstmals, die komplexe Wechselwirkung von Kinetik und Thermodynamik während des Kristallwachstums theoretisch aufzuklären und experimentell abzusichern. Wichtige Schlussfolgerungen/Einblicke führten zu einer Revision wichtiger Konzepte und erlaubten eine deutlich konsistentere Beschreibung und Interpretation verschiedenster experimenteller Ergebnisse: Eine genaue Analyse zeigte beispielsweise, dass der Stickstoffeinbau auf die oberste Atomlage der Oberfläche beschränkt bleibt. Ein Austausch mit tieferen Lagen oder dem Volumen ist bei MBE-Wachstumsbedingungen kinetisch vollständig unterdrückt. Die für Bauelementeanwendungen so wichtige N-Konzentration im Volumen wird daher ausschließlich von der N-Löslichkeit der obersten Atomlage bestimmt. Da die Löslichkeit stark von der spezifischen Oberflächenrekonstruktion bestimmt wird, ergeben sich interessante Möglichkeiten diese durch gezielte Veränderung der Wachstumsbedingungen bzw. durch Verwendung von surfactants zu modifizieren. Eine weitere wichtige Erkenntnis war, dass die Stickstoffatome an der Oberfläche nicht mit dem N2-Partialdruck in der MBE-Kammer im thermodynamischen Gleichgewicht stehen, wie bisher angenommen wurde. Die von uns gefundenen hohen N-Löslichkeiten lassen sich nur durch thermisch oder elektrisch aktivierte N2-Moleküle erklären, wie sie in den genutzten N- Plasmaquellen in hohen Konzentrationen auftreten. Stickstoffkonzentrationen von einigen Prozent, wie sie für technologische Anwendungen kritisch sind, lassen sich daher nur durch Wachstumsbedingungen fern vom thermodynamischen Gleichgewicht realisieren. Weiterhin konnte gezeigt und erklärt werden, dass und warum der N-Einbau auf GaAs gegenüber InAs-Oberflächen bevorzugt ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influence of structural nonuniformity and nonradiative processes on the luminescence efficiency of InGaAsN quantum wells. Appl. Phys. Lett. 88, 011903 (2006)
L. Geelhaar, M. Galluppi, G. Jaschke, R. Averbeck, H. Riechert, T. Remmele, M. Albrecht, M. Dworzak, R. Hildebrant, and A. Hoffmann
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Compositional correlation and anticorrelation in quaternary alloys: Competition between bulk thermodynamics and surface kinetics. Phys. Rev. Lett. 99, 206103 (2007)
M. Albrecht, H. Abu-Farsakh, T. Remmele, L. Geelhaar, H. Riechert, J. Neugebauer
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On the origin of the unexpected annealing Behavior of GaInNAs quantum wells. Jpn. J. Appl. Phys. Lett. 46, L614 (2007)
M. Dworzak, R. Hildebrant, A. Hoffmann, L. Geelhaar, M. Galluppi, H. Riechert, T. Remmele, and M. Albrecht
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Transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen niederdimensionaler Halbleiter zur Charakterisierung von Struktur und chemischer Zusammensetzung. Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, 2007
Ines Häusler
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Enhancing nitrogen solubility in GaAs and InAs by surface kinetics: An ab initio study. Phys. Rev B. 79, 155311 (2009)
H. Abu-Farsakh and J. Neugebauer
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Understanding the interplay between thermodynamics and surface kinetics in the growth of dilute nitride alloys from first principles. Dissertation, Universität Paderborn, 2010
H. Abu-Farsakh
