Identifikation der As- und Ge-Defektzustände

Neben der Identifikation von Defektzuständen bietet die Verwendung von radioaktiven Isotopen die Möglichkeit, Anti-site Defekte gezielt zu erzeugen. Anti-site Defekte stellen sowohl für die Überprüfung theoretischer Modelle, wie auch bei der Interpretation der elektri-schen und optielektri-schen Eigenschaften eine wichtige Klasse intrinsischer Defekte dar. In GaN erhält man einen Anti-site Defekt, indem man ein N Atom durch ein Ga Atom ersetzt (Ga_N) oder ein Ga Atom durch N (N_Ga). Der Index bezeichnet hierbei den Gitterplatz. Normalerweise werden Anti-site Defekte durch Bestrahlung oder durch Abweichungen von der Stöchiometrie während des Kristallwachstums erzeugt. Durch die Verwendung des Isotops ⁷¹As kann ein Ga_N-Anti-site definiert erzeugt werden. Das Isotop ⁷¹As ist ein zu N isoelektronisches Atom und sollte nach der Implantation auf einem N-Platz eingebaut werden. Das Isotop ⁷¹As wandelt sich über das Tochterisotop ⁷¹Ge in das stabile Element ⁷¹Ga um (s. Anhang). Findet während der gesamten Zerfallskette kein Platzwechsel statt, so befindet sich auch Ga auf einem N-Gitterplatz und bildet den gesuchten Anti-site Defekt Ga_N. Gleichzeitig bietet das Isotop ⁷¹As die Möglichkeit, die durch As und Ge erzeugten Defekte zu untersuchen.

Am on-line Massenseparator ISOLDE wurde eine GaN-Probe mit dem Isotop ⁷¹As implantiert (60 keV, 3 × 10¹² cm^-2) und bei 1270 K unter N₂-Atmosphäre für 600 s ausgeheilt.

Aus den Zerfallsgesetzen lässt sich für ⁷¹As (t_½ = 64.28 h) bzw. ⁷¹Ge (t_½ = 11.43 d) eine kontinuierliches Abnehmen der As-Konzentration berechnen, während die Ge-Konzentration zunächst innerhalb der ersten 7 Tage ansteigt um dann wieder abzufallen. Für Ga ergibt sich ein stetiger Konzentrationsanstieg bis alle ⁷¹As-Atome zerfallen sind. Die Werte in Klammern entsprechen den Halbwertszeiten der jeweiligen Isotope. Die Elementumwandlung von ⁷¹As über ⁷¹Ge zu ⁷¹Ga wurde durch PL-Messungen über einen Zeitraum von 56 Tagen verfolgt.

Eine Auswahl der insgesamt 22 gemessenen PL-Spektren ist in Abb. 4.23 dargestellt. Um eine

anschaulichere Darstellung zu ermöglichen, sind zwischen 360 nm und 375 nm (Ge) nur drei Spektren eingezeichnet. Die PL-Spektren sind auf die PL-Intensität bei 1.59 eV normiert.

Allen PL-Spektren gemeinsam ist das Auftreten einer intensiven exzitonischen (D⁰X)-Linie bei 3.471 eV sowie die „gelbe Lumineszenzbande“ (YL) bei 2.2 eV. Das 12 Stunden nach der Implantation aufgenommene PL-Spektrum zeigt ein neues, breites PL-Band bei 2.58 eV.

Dieses Band wird im nicht implantierten Probenbereich nicht beobachtet und zeichnet sich durch eine schwach aufgelöste Unterstruktur an der hochenergetischen Seite aus. Diese beginnt mit einer Nullphononenlinie (As_ZPL) bei 2.945 eV gefolgt von einer Serie kleinerer Linien im Abstand von jeweils 92 meV (LO-Phonon). Die dem 2.58 eV-Band überlagerte Oszillation wird durch Vielstrahlinterferenz zwischen der GaN-Oberfläche und dem Saphirsubstrat her-vorgerufen. Bei 3.398 eV ist ein weiterer, mit Ge bezeichneter Übergang zu erkennen, der von einer LO-Phononenreplik bei 3.306 eV begleitet wird.

Abb. 4.23: PL-Spektren von mit ⁷¹As implantiertem GaN (60 keV, 3 × 10¹² cm^-2), auf-genommen bei 4 K innerhalb eines Zeitraumes von 56 d nach der Implantation und dem Tempern bei 1270 K. Alle Spektren sind auf die PL-Intensität bei 1.59 eV normiert.

Die Intensität des 2.58 eV Bandes nimmt kontinuierlich während des gesamten Messzeitraumes ab. Im Gegensatz dazu steigen die PL-Intensitäten der Ge und Ge-LO Über-gänge innerhalb der ersten acht Tage an, um nach neun Tagen wieder abzunehmen. Nach 56 Tagen kann keine Lumineszenz bei 2.58 eV und eine nur noch schwach ausgeprägte Lu-mineszenz bei 3.398 eV nachgewiesen werden. Während des gesamten Messzeitraumes konnten keine weiteren systematischen Änderungen der PL-Signale, insbesondere das

An-340 400 500 600 700 800 900

10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵

0.5 d D⁰X

Ge-LO Ge

As_NPL

As-Band

YL

56 d

15 d 8 d

3 d 2 d

0.5 d

PL-Intensität (willk. Einh.)

Wellenlänge (nm)

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

Energie (eV)

wachsen neuer PL-Linien beobachtet werden. Zur Kontrolle wurden auch einige PL-Spektren mit einem Ge-Detektor im Bereich von 1.5 eV –0.9 eV aufgenommen, jedoch konnten auch in diesem Spektralbereich keine zusätzlichen PL-Linien identifiziert werden.

Abb. 4.24: Normierte PL-Intensität des As-Bandes (n) und der Ge-Linie (a) in Abhängigkeit von der Zeit nach der Implantation und dem Tempern. Die Messwerte wurden durch die Gln. (4.8)und (4.9) angepasst (durchgezogenen Linien).

Ein Vergleich mit dem Zerfallschema von ⁷¹As zeigt, dass die 2.58 eV-Bande durch As hervorgerufen wird. Der PL-Übergang bei 3.398 eV und seine Phononenreplik können nur durch eine Beteiligung von Ge im zugehörigen Rekombinationszentrum erklärt werden. Die ansteigende Ga-Konzentration führt nicht zur Bildung neuer PL-Übergänge.

Um die in den Rekombinationszentren beteiligte Anzahl an As bzw. Ge Atomen zu ermitteln, wurden die normierten PL-Intensitäten durch die, die As- bzw. Ge-Konzentration beschreibenden Gl. (4.8) bzw. Gl. (4.9) angepasst.

(ln 2) /1/ 2

In Abb. 4.24 sind die normierten PL-Intensitäten des As-Bandes (_n) und der Ge-Übergänge (a) in Abhängigkeit von der Zeit nach der Implantation aufgetragen. Die durch-gezogenen Linien entsprechen den an die Messwerte angepassten Gln. (4.8) und (4.9). Dabei ergibt sich für die PL-Intensität des As-Bandes eine Halbwertszeit von t_½ = (65.7 ± 4.3) d in sehr guter Übereinstimmung mit der Halbwertszeit des Isotops ⁷¹As. Das Anpassen von Gl.

(4.9) an die PL-Intensität der Ge-Linien war nur möglich, indem für die Halbwertszeiten die Literaturwerte eingesetzt und festgehalten wurden. Die Streuung der Messwerte führt an-sonsten bei fünf freien Parametern zu unbefriedigenden Ergebnissen. Insbesondere die bereits

0 10 20 30 40 50 60

bei der Implantation vorhandene Ge-KonzentrationI₀^Ge geht empfindlich in die Anpassung ein.

Wie in Abb. 4.24 gezeigt, lässt sich der zeitliche Verlauf der Ge-Linie sehr gut mit den Halbwertszeiten der Isotops ⁷¹As und ⁷¹Ge beschreiben. Da das As-Band kein Sättigungs-verhalten zeigt (vgl. Abschnitt 4.4.2), kann daraus eindeutig geschlossen werden, dass in beiden Rekombinationszentren exakt ein As- bzw. Ge-Atom enthalten sein muss.