Untersuchungen zum geordneten Wachstum von III-Nitrid Nanodrähten

Abstract

Diese Arbeit behandelt den Einfluss der Mg- und Si-Dotierung auf das Wachstum von InN-Nanodrähten (ND) sowie die Etablierung, Anwendung und Analyse des selektiven Wachstums von GaN-ND auf Si-Substraten. Das Ziel der Arbeit ist dabei die Herstellung von ND mit homogenen Abständen, Durchmessern und Längen. Zunächst wird die Si- und Mg-Dotierung von InN-ND untersucht. Dazu werden die einzelnen Wachstumsparameter variiert und deren Einfluss analysiert. Für die Si-Dotierung kann dabei eine nicht lineare Abhängigkeit der Morphologie der Nanodrähte mit der Substrattemperatur, dem In- und Si-Fluss beobachtet werden, sowie eine Erweiterung der Wachstumstemperatur zu Werten oberhalb des Einsetzens der Dekomposition bei gleichzeitig verbesserter Homogenität der Länge und des Durchmessers der ND. Für die Mg-Dotierung von InN-ND wird kein Einfluss auf die Morphologie beobachtet. Durch optische und elektrische Messungen wird ein Hinweis auf das erfolgreiche Einbringen der Mg-Atome als Akzeptoren beobachtet. Nach einer Voruntersuchung anhand von nicht-selektivem Wachstum bei hohen Substrattemperaturen, sowie einer Untersuchung zur Dekomposition von GaN-ND werden die Wachstumsparameter für das selektive Wachstum mit einem neuentwickelten Ansatz eingegrenzt. Anschließend wird innerhalb dieser Grenzen der Einfluss der Wachstumsparameter auf das selektive Wachstum untersucht. Ein Schwerpunkt dieser Untersuchungen wird auf die Nukleation gesetzt, bei der anhand von Variationen des Substratdesigns (Maskentyp, -material sowie Substratmaterial) und direkten Analysen für kurze Wachstumszeiten ein neuartiges Nukleationsmodell vorgeschlagen wird. Ein zweiter Schwerpunkt wird auf die Diffusion der Ga-Atome gesetzt. Es wird ein geometrisches Modell zur Analyse der Diffusion auf dem Substrat und den Seitenfacetten vorgeschlagen und durch experimentelle Daten untermauert. Anhand des Modells ergeben sich Diffusionslängen von 400 nm auf dem Substrat respektive 500 nm auf den ND-Seitenfacetten.

The influence of the Si- and Mg-doping of InN NWs as well as the selective area growth (SAG) of GaN NWs on Si substrates is developed, optimized and analyzed to obtain NWs with homogeneous periods, lengths and diameters. The variation of growth parameters for Si-doped InN NWs reveals a nonmonotonic morphology dependence and an extended growth window towards higher substrate temperatures. In addition, the NW density is reduced and the size homogeneity improved for high Si doping levels. In contrast, no impact on the morphology of the InN NWs is observed under Mg-doping. Nevertheless, indications of a successful incorporation of the Mg-acceptors are found by optical and electrical studies. The non-selective growth of GaN NWs at high substrate temperatures is investigated for various Ga-fluxes and substrate temperatures. Furthermore, the decomposition of GaN NWs is observed with an investigation of the NW morphology and the Ga desorption during growth. The nucleation on the mask (Si) and the substrate (AlN) is investigated with a new approach to define a growth window for the SAG. Within this window, the influence of the substrate temperature, growth time, Ga- and N-flux on the SAG is investigated by a separate variation for each parameter. An optimal set of growth parameters with respect to a homogeneous NW morphology is obtained. The growth on substrates with different mask types, mask materials and substrate materials reveals a novel nucleation mechanism. The asymmetric nucleation in the holes of the mask could be attributed to a local increase in the Ga-supply by blocking the impinging Ga-flux at the vertical sidewalls. The diffusion of Ga-atoms on the substrate and the NW is finally investigated. A descriptive model is proposed and the fit to experimental data reveals a diffusion length of 400 nm. The limitation of the axial growth is explained by the diffusion length of Ga atoms on the NW sidewall and a diffusion length of approximately 500 nm is obtained.