Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3407
Mörsch, Georg
Zur metallorganischen Molekularstrahlepitaxie im Materialsystem GaAs/GaInP
129 S., 1997
In dieser Arbeit wurde die metallorganische Molekularstrahlepitaxie (MOMBE) im
Materialsystem GaInP/GaAs optimiert und die Verwendung gasförmiger Quellen zur Kohlenstoff-
und Tellur-Dotierung untersucht.
Der für die Abscheidung phosphorhaltiger Materialien notwendige Umbau bewirkte durch die
zusätzlich durchgeführte Neukonstruktion des Gaseinlasses ein verbessertes Regelverhalten des
Gassystems in Bezug auf die erzielbare Genauigkeit und Schaltgeschwindigkeit. Es können GaAs-
Schichten gleicher Qualität abgeschieden werden wie vor der Modifikation der Epitaxieanlage.
GaInP-Schichten guter Morphologie werden bei der Verwendung der Quellmaterialien
TEGa/TMIn bei einer Temperatur von 510 °C und einem V/III-Verhältnis von 1.2 beziehungsweise
bei der Verwendung von TEGa/TEIn bei 500 °C und einem V/III-Verhältnis von 4
erhalten. Bei den GaInP-Schichten wird eine laterale und vertikale Kompositionsinhomogenität
festgestellt.
Die Untersuchungen zur Dotierung selbst lassen sich in Versuche zur p-Dotierung mittels
Kohlenstoff und Versuche zur n-Dotierung mittels DETe unterteilen.
Bei der Dotierung mit Kohlenstoff ist sowohl der intrinsische Ansatz, bei dem der Kohlenstoff
direkt aus den galliumhaltigen Quellmaterialien durch Zugabe von TMGa eingebaut wird, als auch
der extrinsische Ansatz, bei dem der Kohlenstoff durch eine eigenes Quellmaterial (CBr4) in die
Kammer injiziert wird, untersucht worden. In GaAs ist mittels beider Ansätze die p- Dotierung
möglich. Bei der intrinsischen Dotierung ist es möglich, GaAs mit einem Gemisch aus
TEGa/TMGa kontrolliert von 1015 cm-3 bis 1020 cm-3 zu dotieren. Die Dotierung ist dabei nicht
linear von dem TMGa-Anteil im Gemisch abhängig, so daß die Dotierung mit diesem Gemisch
nicht einfach zu handhaben ist; in der Praxis ist bei den gewünschten Bedingungen die
Abscheidung von Kontrollschichten notwendig. Als extrinsische Kohlenstoffquelle ist CBr4
verwendet worden. Die Abhängigkeit vom CBr4 Angebot ist linear und somit einfacher als bei der
intrinsischen Dotierung. Allerdings ist dadurch auch die Dotierdynamik geringer; der
Dotierbereich bewegt sich von 5*1018 cm-3 bis 5*1019 cm-3. Bei beiden Ansätzen besteht eine
starke Abhängigkeit der erzielten p-Dotierung von den Wachstumsparametern Substrattemperatur
und V /III-Verhältnis.
Im Material Gal-xInxP ist mit beiden Ansätzen keine p-Dotierung erzielt worden; die dotierten
Schichten sind jeweils hoch kompensiert. Dies bestätigt, daß das Dotierelement Kohlenstoff
wegen seiner amphoteren Eigenschaft nur begrenzt in indiumhaltigen Materialsystemen zu
verwenden ist.
Die n-Dotierung im System GaInP/GaAs ist für den Dotierstoff DETe untersucht worden.
In beiden Materialien ist mittels DETe eine Ladungsträgerkonzentration zwischen 5*1016 cm-3
und 2*1019 cm-3, im Falle des GaInP sogar hinauf bis zu 4*1019 cm-3, zu erzielen. In GaAs
nimmt dabei die elektrische Aktivität bei Dotierungen oberhalb von 8*1018 cm-3 ab.
Anhand von [gamma]-Dotierungsstrukturen ist die Diffusion und Segregation von Tellur in GaAs
untersucht worden. Oberhalb von 540 °C wird eine starke Segregation des Tellurs zur Oberfläche
hin beobachtet. Unterhalb von 500 °C ist die Abscheidung von [gamma]-Dotierungen mit einer
Halbwertsbreite unterhalb von 10 nm möglich. Die unter RTA-Bedingungen bestimmte Diffusionskonstante
(D=2*10-15 cm2s-1 bei 780 °C) entspricht etwa der von Silicium in GaAs. Die für
die Diffusion von Tellur unter Wachstumsbedingungen ermittelte Diffusionskonstante
(D=2.5*1016 cm2s-1 bei 525 °C) hingegen liegt verhältnismäßig hoch und übersteigt den Wert
der Diffusionskonstante von Silicium in GaAs um etwa eine Größenordnung.
Die technologische Bedeutung der hier untersuchten Dotiermaterialien ist nach den
vorgestellten Ergebnissen begrenzt. Während der Kohlenstoff für GaAs das wohl geeigneteste
Dotierelement ist, ist er für indiumhaltige Materialsysteme wegen seines amphoteren Einbaus eher
nicht geeignet. Den Vorteilen von DETe als Dotierstoff (einfache Handhabung, hohe Effizienz)
und Tellur als Dotierelement (hohe elektrische Qualität der Schichten, hohe erreichbare
Dotierkonzentrationen) stehen einige gewichtige Nachteile, allen voran die auftretenden Memory-
Effekte sowie die starken Diffusions- und Segregationseffekte, gegenüber, die eine weite
Verbreitung von Tellur als Dotierelement verhindern.
Neuerscheinungen
Schriften des Forschungszentrums Jülich
Ihre Ansprechperson
Heike Lexis
+49 2461 61-5367
zb-publikation@fz-juelich.de