Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3953
Jahnen, Burkhard
Interdiffusion von Heterostrukturen auf Antimonidbasis
XVIII, 176 S., 2002
Die Interdiffusion in dem für optoelektronische Bauelemente im infraroten Wellenlängenbereich wichtigen Materialsystem GaSb-AlSb wird quantitativ untersucht und in einem atomistischen Modell gedeutet. Dazu wurden nominell undotierte GaSb/AlxGa1-xSb-Heterostrukturen einer thermischen Behandlung unter antimonreichen und galliumreichen Bedingungen im Temperaturbereich von 600°°C bis 700°°C unterworfen. Die Analyse der Heterostrukturen erfolgte mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Röntgendiffraktometrie. Zur quantitativen Bestimmung von Konzentrationsprofilen im Nanometermaßstab wurde eine TEM-Hellfeldtechnik entwickelt, die auf einem Fünfstrahlfall mit symmetrischer Anregung der systematischen Reihe von {200}-Strahlen als Abbildungsbedingung beruht. Es wird gezeigt, daß die Interdiffusion durch einen konzentrationsabhängigen Interdiffusionskoeffizienten beschrieben werden kann. Die Interdiffusion verlangsamt sich mit steigender Aluminiumkonzentration °x des AlxGa1-xSb-Mischkristalls. Unter antimonreichen Bedingungen vollzieht sich die Interdiffusion signifikant schneller als unter galliumreichen Bedingungen. In der Arbeit wird gezeigt, daß die Interdiffusion von Gallium und Aluminium in AlxGa1-xSb-Mischkristallen durch ein atomistisches Modell erklärt werden kann, in dem Leerstellen auf dem Gruppe-III-Untergitter von zentraler Bedeutung sind. Danach ist ihre Konzentration unter antimonreichen Bedingungen durch Verlust von Gruppe-III-Atomen an die Gasphase hoch. Unter galliumreichen Bedingungen ist die Konzentration der Leerstellen auf dem Gruppe-III-Untergitter grundsätzlich niedriger, und sie entstehen indirekt durch Besetzung von Leerstellen auf dem Gruppe-V-Untergitter durch Gruppe-III-Atome. Die Gleichgewichtskonzentration der Gruppe-III-Leerstellen wird als die maßgebliche Größe für die beobachteten experimentellen Ergebnisse identifiziert.
Interdiffusion in alloys based on the GaSb-AlSb material system that is suitable for optoelectronic devices for the infrared range is investigated quantitatively and is interpreted in terms of an atomistic model. To this end, nominally undoped GaSb/AlxGa1-xSb heterostructures were subjected to thermal treatment under both Sb-rich and Ga-rich conditions in the temperature range of 600°°C to 700°°C. For characterisation of the heterostructures, transmission electron microsocopy (TEM) and X-ray diffraction were applied. For quantitative analysis of concentration profiles on a nanometer scale, a TEM bright-field technique was developed that is based on a symmetric five-beam imaging condition with excitation of the systematic row of {200}-beams. It is shown that interdiffusion in the GaSb-AlSb system can be described by a concentration-dependent interdiffusion coefficient. Interdiffusion is retarded with increasing aluminium concentration °x of the AlxGa1-xSb alloy. Under Sb-rich conditions, interdiffusion is significantly faster than under Ga-rich conditions. The present study shows that the mechanism of interdiffusion of the group-III atoms in the GaSb-AlSb system can be described in terms of vacancies on the group-III sublattice. Under Sb-rich conditions, evaporation of group-III atoms into the gas phase leads to a high concentration of group-III vacancies. Under Ga-rich conditions, these vacancies are created indirectly by formation of group-III antisites. The equilibrium concentration of the group-III vacancies is identified as the relevant factor for the observed experimental results.
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