Identifizierung der Br-Defektzustände

Die durch Br in GaN erzeugten Zustände sind bisher weitgehend unerforscht, obwohl Br Bestandteil einiger bei der Herstellung von GaN und GaN-Bauelementen verwendeter Chemikalien ist. Bromhaltige Chemikalien werden u. a. beim Plasmaätzen [Var96], nass-chemischen Ätzen [Man94] oder als Precursor [Wel97] beim Wachstum von GaN verwendet.

Dabei können Br-Verunreinigungen in GaN eingebracht werden, die die optischen und elektrischen Eigenschaften von GaN beeinflussen können. Darüber hinaus stellt das Isotop

77Br eine an Halbleitern oft verwendete PAC-Sonde dar (s. Anhang).

Um den Einfluss von Br auf die optischen Eigenschaften von GaN zu untersuchen, wurde eine GaN-Probe mit dem Isotop ⁷⁷Br implantiert (60 keV, 3 × 10¹² cm^-2), welches mit einer Halbwertszeit von 57 h zu stabilem ⁷⁷Se zerfällt (s. Anhang). Um den Gitterschaden auszuheilen, wurde die Probe 600 s bei 1270 K unter N₂-Atmosphäre getempert. Die Element-umwandlung von ⁷⁷Br zu ⁷²Se wurde über einen Zeitraum von 70 d durch PL-Messungen verfolgt.

In Abb. 4.30 ist eine Auswahl der nacheinander bei 4 K aufgenommenen PL-Spektren gezeigt. Die PL-Spektren wurden auf die Intensität bei 2.3 eV (YL) normiert, um Intensitäts-schwankungen aufgrund der Probeninhomogenität auszugleichen. In Abb. 4.30 ist zu beachten,

dass die PL-Intensität unterhalb von 540 nm logarithmisch und oberhalb von 540 nm linear aufgetragen ist. Mit „Referenz“ ist das PL-Spektrum des nicht implantierten Probenbereiches gekennzeichnet. Das 21 h nach Implantation aufgenommene PL-Spektrum zeigt neben den für GaN typischen Übergängen (vgl. Kap. 2) der donatorgebundenen Exzitonen (D⁰X, D⁰X-LO), dem Donator-Akzeptor-Paar Übergang (D,A) und der „gelben Lumineszenz“ ein neues PL-Band bei 2.1 eV. Ein weiteres, durch Se hervorgerufenes PL-PL-Band ist bei 1.49 eV erkennbar (vgl. Kap. 4.5). Das schon zu Beginn der Messreihe intensive Se-Band ist auf einen hohen mit-implantierten Anteil von stabilem ⁷⁷Se zurückzuführen. Tempereffekte können als Ursache beider Banden ausgeschlossen werden, wie ein Vergleich mit dem PL-Spektrum der nicht implantierten Probenstelle zeigt. Mit fortschreitender Zeit nach der Implantation nimmt die Intensität des 2.1 eV Bandes sukzessive ab, woraus bereits auf einen Zusammenhang mit Br geschlossen werden kann. Die PL-Intensität des Se-Bandes bleibt im gleichen Zeitraum in etwa konstant, obwohl aufgrund der zunehmenden Se-Konzentration ein Intensitätsanstieg zu erwarten wäre. In Abb. 4.31 sind die normierten PL-Intensitäten des Se-Bandes und des Br-Bandes über der Zeit nach dem Tempern aufgetragen.

Abb. 4.30: PL-Spektren einer mit ⁷⁷Br implantierten GaN-Probe (60 keV, 3 × 10¹² cm^-2) aufgenommen 21 h, 2 d, 5 d und 70 d nach der Implantation und dem Tempern bei 1270 K.

Das Referenz-Spektrum wurde an einer nicht implantierten Probenstelle aufgenommen. Die Spektren sind auf die Intensität bei 2.3 eV normiert. Unterhalb von 540 nm ist die PL-Intensität logarithmisch aufgetragen, oberhalb von 540 nm linear.

Das Anpassen der Exponentialfunktion (4.12) an die Intensität der Br-Bande liefert in sehr guter Übereinstimmung mit dem Literaturwert (t_½ = 57.03 h, [Shi96]) eine Halbwertszeit von t_½ = 57(1) h. Daraus folgt, dass die PL-Bande bei 2.1 eV durch ein Rekombinations-zentrum erzeugt wird, welches exakt ein Br-Atom enthält.

340 400 500

(ln 2) /1/ 2

0 0

( ) ^{t t}

Br Br

I t = +I I e^- (4.12)

Die Intensität des Se-Überganges ist innerhalb des Fehlers konstant. Dieses Verhalten kann durch einen bereits bei der Implantation eingebrachten Anteil an stabilem ⁷⁷Se verursacht sein. Hierbei muss aber berücksichtigt werden, dass das Se-Band kein Sättigungsverhalten bis zu Implantationsdosen von 1 × 10¹³ Se-Ionen/cm² zeigt (Kap. 4.5.2). Aus der nach der Implantation gemessenen Aktivität der Probe kann abgeschätzt werden, dass die ⁷⁷Se Konzent-ration maximal 50% der gesamten Implantationsdosis betragen kann, d. h. höchstens 1.5 × 10¹² cm^-2. Daraus folgt, dass das Sättigungsverhalten alleine nicht ausreicht, um den ausbleibenden Intensitätszuwachs des Se-Bandes zu erklären.

Abb. 4.31: PL-Intensität der Br- und Se-Übergänge in Abhängigkeit von der seit der Implantation vergangenen Zeit. Die Intensitätswerte sind auf die „gelbe Lumineszenz“ bei 2.3 eV normiert.

Durch Anpassen einer Gauß-Funktion an die PL-Spektren können das Br und Se-Band entfaltet und die jeweiligen Anteile der Se- bzw. Br-Banden an der gemessenen Gesamt-intensität der Se-Bande berechnet werden (Abb. 4.32). Die Modulation aufgrund der Fabry-Pérot-Interferenzen wurde nicht berücksichtigt. Dabei ergibt sich ein Anteil von 63% für die Se-Bande und ein Anteil von 37% für die Br-Bande. Hierbei wurde der Bereich zwischen 760 nm und 900 nm betrachtet.

Setzt man gleiche Übergangswahrscheinlichkeiten für beide Rekombinationskanäle voraus, so wird ein Teil des Intensitätszuwachses der Se-Bande durch den Intensitätsverlust der Br-Bande kompensiert und die PL-Intensität der Se-Bande steigt geringer an als erwartet.

Ferner kann bei Präsenz zweier verschiedener Rekombinationskanäle das Sättigungsverhalten früher einsetzen als in Kap. 4.5.2 gezeigt.

0 10 20 30 40 50 60 70 80

2 3 4 5 6 7 8

Br: t

1/2 = 57(1) h Se

PL-Intensität (willk. Einh.)

Zeit (d)

Da die energetische Lage des Se-Bandes identisch mit der Lage des Bandes nach ⁷² Se-Implantation ist, muss auch nach ⁷⁷Br-Implantation Se auf einem N-Platz eingebaut sein. Der Rückstoss während des Zerfalls beträgt 13 eV und ist für eine Versetzung des Se-Atoms von einem Gitterplatz nicht ausreichend. Daraus folgt, dass auch ⁷⁷Br nach der Implantation und dem Tempern auf einem N-Platz in GaN eingebaut wird.

Abb. 4.32: Ausschnitt aus einem PL-Spektrum einer mit ⁷⁷Br implantierten GaN-Probe nach Tempern bei 1270 K. Die durchgezogenen Linien zeigen die an der Gesamtintensität beteiligten Se- bzw. Br-Anteile nach Entfalten des PL-Spektrums durch das Anpassen von Gauß-Kurven (s. Text).

Zusammenfassend konnte erstmals ein durch Br_N hervorgerufenes PL-Band bei 2.1 eV nachgewiesen werden, dessen Rekombinationszentrum exakt ein Br-Atom enthalten muss. Das Se_N zugeordnete PL-Band bei 1.49 eV konnte bestätigt werden. Da keine Veröffentlichungen zu Br in GaN vorliegen, ist ein Vergleich mit Literaturdaten nicht möglich. Eine Charakterisie-rung der Br-Bande wurde nicht durchgeführt, da es an keinem der zur Verfügung stehenden Massenseparatoren möglich war, GaN mit stabilem Br zu implantieren. Auf die elektrischen Eigenschaften wird in Kap. 5 eingegangen.

560 610 660 760 860

1 2 3 4 5 6

Se-Band Br-Band

PL-Intensität (willk. Einh.)

Wellenlänge (nm)

2.2 2.0 1.8 1.6 1.4

Energie (eV)