Optische Eigenschaften von verdünnten magnetischen Halbleitern auf GaN-Basis
Optical properties of GaN-based diluted magnetic semiconductors
by Jan Zenneck
Date of Examination:2007-07-18
Date of issue:2008-06-26
Advisor:Prof. Dr. Angela Rizzi
Referee:Prof. Dr. Angela Rizzi
Referee:Prof. Dr. Hans Christian Hofsäss
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Format:PDF
Description:Dissertation
Abstract
English
Various GaN-based diluted magnetic semiconductors (DMS) were characterized in the course of this work. The main topic was GaMnN and there especially the relation between growth conditions and optical properties. The main analysis tool was photoluminescence (PL), for which an experimental setup optimized for GaN was developed and put into use.The basis for the optical measurements was structural characterization, where a second phase could be detected in XRD. With the help of TEM-measurements it could be identified as GaMn3N. For the whole parameterspace of GaMnN-growth therefore a growth window was identified, where diluted GaMnN with up to 5% Mn content could be achieved without precipitation. XRD rocking curves and Raman measurements showed a reduced crystal quality of GaMnN compared to GaN, but even this problem could be overcome by the use of a sapphire substrate with a MOCVD-grown GaN buffer-layer.With these results in mind, the PL spectra of the GaMnN samples were analyzed. Existence and width of the excitonic lines showed a clear correlation between optical and structural measurements concerning the crystal quality. Due to the high optical quality Mn could be identified as a deep acceptor in GaN via PL-measurements. Magneto-optical measurements at the free excitonic lines in GaMnN show a weak coupling of the local Mn-spins with the GaN matrix. This is a key property for the construction of spin injectors with the help of DMS.Another new field for research was opened by the identification of the intra-3d transition 5E → 5T2 of Mn3+ at 1.41 − 1.42 eV in PL-spectra of GaMnN. This transition was thoroughly characterized and compared to the known absorption data in the literature. Due to the unsurpassed optical quality of the samples on sapphire substrate, the zero phonon line was deconvoluted into three different peaks. Absorption measurements on the same samples gave proof of the charge state Mn3+ in our samples. This state with partially filled d-orbitals is the basis for the so called double-exchange, one of the theoretical models for a GaN-based DMS. As the intra-3d transition in our samples broadens and then vanishes with increasing Mn-content, this can be seen as an indication for this type of magnetical coupling.In addition to GaMnN two other GaN-based DMS were analyzed. GaCrN samples exhibited an infra-red luminescence signal very similar to GaMnN. Localized at 1.19 eV it could be attributed to an intra-3d transition of Cr4+ and thus the 10 year-old struggle for the identification of this signal was resolved. GaGdN showed no Gd-specific signals, but a shift of the near-bandedge luminescence with increasing Gd-content. With the help of Raman measurements compressive strain was identified to be the cause of this shift. When the Gd-content reaches the regime of more than 1%, a bandgap narrowing is detectable.
Keywords: GaN; GaMnN; GaGdN; GaCrN; DMS; PL; Raman; XRD; magneto-optics; MBE; intra-3d
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Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene verdünnte magnetische Halbleiter (DMS) auf GaN-Basis strukturell und optisch charakterisiert. Schwerpunktmäßig wurde dabei GaMnN untersucht, speziell die Auswirkungen der Wachstumsbedingungen auf die optischen Eigenschaften. Zentrales Werkzeug zur Analyse der Schichten war die Photolumineszenz (PL), für die ein auf die Erfordernisse von GaN angepasster Messplatz aufgebaut wurde.Zuerst wurden die Proben einer strukturellen Charakterisierung mittels XRD unterzogen, wobei in Proben mit hohem Mn-Gehalt eine zweite Phase detektiert wurde, die auch mit Hilfe von TEM-Analysen als GaMn3N identifiziert wurde. Im Parameterraum des GaMnN-Wachstums wurde ein Fenster identifiziert, wo verdünntes GaMnN bis 5% Mn-Gehalt ohne Ausscheidungen gewachsen werden kann. Die Kristallqualität wurde an Hand der XRD rocking curve beurteilt, zusätzlich wurden Raman-Messungen durchgeführt. Dabei zeigt sich eine deutlich schlechtere Qualität der GaMnN-Proben im Vergleich zu reinen GaN-Proben. Dies konnte erst durch die Wahl eines besseren Substrats, Saphir mit einer MOCVD-gewachsenen GaN-Pufferschicht, verhindert werden.Auf der Basis dieser Ergebnisse können die Lumineszenz-Spektren der GaMnN-Proben analysiert werden. So korrelieren die PL-Messungen klar mit den XRD-Messungen in Bezug auf die Kristallqualität. An Hand des Vorhandenseins und der Linienbreite der exzitonischen Übergänge kann dies für den gesamten Parameterraum nachvollzogen werden. Die hohe Qualität ermöglicht beispielsweise den Nachweis der Eigenschaft als tiefer Akzeptor von Mn in GaN. Außerdem zeigen magneto-optische Untersuchungen der freien Exzitonen in GaMnN, dass eine schwache Kopplung der lokalen Mn-Spins mit den Ladungsträgern der GaN-Matrix existiert. Dies ist die Grundvoraussetzung für eine technische Anwendung der verdünnten magnetischen Halbleiter beispielsweise als Spininjektoren.Ein weiteres hochinteressantes Gebiet eröffnete sich durch den Fund und die Identifikation des intra-3d-Übergangs 5E → 5T2 von Mn3+ bei 1.41 − 1.42 eV in den PL-Spektren von GaMnN. Dieser wurde umfassend charakterisiert und mit entsprechenden Daten für die Absorption, die aus der Literatur bekannt sind, verglichen. Es zeigte sich auch an dieser Stelle die überlegene optische Qualität der Proben auf Saphir-Substrat. Die Null- Phononen-Linie konnte in drei einzelne Linien aufgelöst werden. Die Absorptionsmessungen weisen gleichzeitig den Ladungszustand Mn3+ in den vorliegenden Proben direkt nach. Ein solcher Zustand mit teilweise besetzten d-Zuständen ist die Voraussetzung für die magnetische Kopplung der Mn-Atome nach dem Doppelaustausch, eine der diskutierten Theorien für GaN-basierte DMS. Auf diese Art von Kopplung deutet auch das Verhalten des intra-3d-Übergangs bei hohen Mn-Konzentrationen hin, der sich erst verbreitert und dann nicht mehr nachweisbar ist.!Zusätzlich zu den GaMnN-Schichten wurden weitere GaN-basierte DMS optisch charakterisiert. Vergleichbar dem Mn zeigt auch Cr in GaN einen intra-3d-Übergang. Dieser dem Cr4+ zugeordnete Übergang kann bei 1.19 eV detektiert werden und der mehr als 10 Jahre alte Streit um die Ursache dieser Linie geklärt werden. GaGdN zeigt keine Gd-spezifischen Lumineszenzen, allerdings eine Verschiebung der bandkantennahen Lumineszenz mit der Gd-Konzentration. Dies kann unter Zuhilfenahme von Raman-Messungen nachgewiesen werden, wodurch kompressive Verspannungen als Ursache identifiziert werden. Außerdem ist dadurch bei Dotierung im Prozentbereich eine Verkleinerung der Bandlücke von GaGdN nachweisbar.
Schlagwörter: GaN; GaMnN; GaGdN; GaCrN; DMS; PL; Raman; XRD; Magneto-Optik; MBE; intra-3d