InN and In-rich InGaN Nanocolumns by Molecular Beam Epitaxy
InN und In-reiche InGaN Nanodrähte mittels Molekularstrahlepitaxy
by Christian Denker
Date of Examination:2011-11-08
Date of issue:2012-02-01
Advisor:Prof. Dr. Angela Rizzi
Referee:Prof. Dr. Angela Rizzi
Referee:Prof. Dr. Alois Krost
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2855
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Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract
English
The focus of this thesis is on InN and InGaN semiconductor-nanowires. The aim is to gain a deeper understanding of the electronic properties of InN nanowires and the growth mechanisms of InN and InGaN nanowires by molecular beam epitaxy (MBE) on silicon. The chemical, structural and electrical properties of InN nanowires were analyzed. The combination of optical and electrical measurements resulted in a consistent picture of electron concentration and distribution. The cores of the wires showed a for InN low electron concentration in the range of 3.5x10^(17) cm^(-3) to 2x10^(18) cm^(-3) and high electron mobility of about 2400-4800 cm^2 /(Vs). This is comparable to layers with the lowest carrier concentration reported in literature. An electron accumulation was found at the interface of an oxide outer shell and the InN core. The electron surface density was about 1 to 2x10^(13) cm^(-2) and the corresponding volume mobility is considerably lowered with about 600 cm^2 /(Vs) compared to the core. Furthermore, In-rich InGaN nanowires were successfully synthesized. The Ga:In ratio of the wires was significantly lower than the ratio of the impinging fluxes. The distributions of In and Ga on the samples were explained by a diffusion growth model assuming a diffusion length which is considerably larger than the next-neighbor-distance of the wires for In and close to zero for Ga. In addition, InGaN markers were introduced into InN nanowires to monitor their growth rates which were found to be nearly equal for all wires on a sample and stepwise constant in time. The changes in growth rates were assigned to nucleation of new nanowires. Furthermore, first steps towards position- and size-controlled growth of single InN nanowires on silicon were presented using a mask approach.
Keywords: Nanowires; InN; In-rich InGaN; crystal growth; nanowire growth; properties of InN nanocolumns
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Der Fokus dieser Arbeit liegt auf In und InGaN Halbleiternanodrähten. Ziel war es ein ein tieferes Verständnis der elektronischen Eigenschaften der InN Nanodrähte sowie des Wachstumsmechanismus von InN und InGaN Nanodrähten auf Silizium in der Molekularstrahlepitaxy zu erhalten. Die chemischen, strukturellen und elektronischen Eigenschaften von InN Nanodrähten wurden. Durch die Kombination von elektrischen und optischen Messverfahren konnte ein konsistentes Bild der Elektronenkonzentration und -verteilung gewonnen werden. Die Kerne der Nanodrähte weisen demnach eine für InN geringe Elektronendichte (3.5x10^(17) cm^(-3) bis 2x10^(18) cm^(-3)) mit verhältnismäßig hoher Elektronenbeweglichkeit von ungefähr 2400-4800 cm^2 /(Vs) auf. Dies ist vergleichbar mit Schichten mit den geringsten Elektronenkonzentrationen, über die bisher in der Literatur berichtet wurden. An dem Übergang von InN Kern zu einer Oxidhülle wurde eine Elektronenansammlung mit einer Flächenladungsträgerdichte von 1 bis 2x10^(13) cm^(-2) beobachtet. Die Beweglichkeit ist deutlich reduziert im Vergleich zum Kern mit einer auf das Volumen umgerechneten Beweglichkeit von ungefähr 600 cm^2 /(Vs). Darüber hinaus wurden In-reiche InGaN Nanodrähte erfolgreich hergestellt. Das Ga:In Verhältnis in den Nanodrähten ist deutlich geringer als in den eintreffenden Molekularstrahlen. Die Verteilung von In und Ga in den hergestellten Proben konnte durch ein Diffusionswachstumsmodel unter der Annahme einer Diffusionslänge für In, die den Nächstennachbarabstand der Drähte deutlich übersteigt, und einer für Ga, die verschwindend gering ist, erklärt werden. Weiterhin konnte durch Einbringen von InGaN Markern in InN Drähte der zeitliche Verlauf der Wachstumsrate der Nanodrähte bestimmt werden. So wurde festgestellt, dass die Wachstumsrate für alle untersuchten Drähte einer Probe annähernd gleich ist und stückweise konstant ist. Die abrupten Wachstumsratenänderungen werden durch die Bildung neuer Nanodrähte erklärt. Abschließend werden erste erfolgreiche Schritte der orts- und größenkontrollierten Kristallzucht von InN auf Silizium mittels eines Maskenansatzes präsentiert.
Schlagwörter: Nanodrähte; InN; In-reiches InGaN; Kristalwachstum; Nanodrahtwachstum; Eigenschaften von InN Nanodrähten
