Effekt der von Bor und Stickstoff induzierten isovalenten Störstellen auf den Leitungsbandtransport in III-V-Halbleitern

Abstract

Die Durchstimmbarkeit der Eigenschaften von Halbleitern durch entsprechendes Legieren mit Fremdatomen ist die Basis für ihre technische Anwendung. Viele Systeme zeigen fast lineare Änderungen der Eigenschaften z.B. der Bandlücke mit dem Gehalt der Fremdatome wie z.B. (Al,Ga)As. Einige Legierungen weisen jedoch deutliche nichtlineare Eigenschaften auf wie z.B. Ga(N,As) oder (B,Ga)P. In diesen Fällen bedarf es eines systematischen Verständnisses der Einflüsse dieser Störstellen auf die Eigenschaften, um sich diese zu Nutze machen zu können. Im ersten Teil dieser Arbeit werden die Einflüsse von stickstoff- und borinduzierten isovalenten Störstellen auf den elektrischen Transport in III-V-Halbleitern untersucht. Um diese Einflüsse der Störstellen auf den elektrischen Transport zu untersuchen, werden temperaturabhängige Magnetotransport-Messungen verwendet. Als Erweiterung dieser Methode werden Magnetotransport-Messungen unter hydrostatischem Druck durchgeführt. Das Anlegen hydrostatischen Druckes erlaubt dabei eine relative Verschiebung der Zustandsdichte des Leitungsbandes zu den isovalenten Störstellen. Im n-Ga(N,As)-Materialsystem werden die Auswirkungen der stickstoffinduzierten isovalenten Störstellen in Abhängigkeit der Stickstoffkonzentration untersucht. Dabei stehen die Auswirkung der energetischen Lage der Stickstoffzustände relativ zum Fermi-Niveau sowie der Fallencharakter der stickstoffinduzierten isovalenten Störstellen im Vordergrund. Des Weiteren wird ein Zweibandmodell zur Beschreibung des ungewöhnlichen Verhaltens der Hall-Konstanten diskutiert. Das Verhalten der borhaltigen III-V-Halbleiter (B,Ga)P und (B,Ga)(As,P) wird mittels der gleichen Methoden untersucht. An diesen borhaltigen Systemen wird insbesondere der Fallencharakter über eine temperatur- und druckabhängige Ladungsträgerstatistik ermittelt und daraus eine Zustandsdichte für die borinduzierten isovalenten Störstellen abgeleitet. Des Weiteren beschäftigt sich diese Arbeit mit dem Fallencharakter in Abhängigkeit des verwendeten Donators und dem Zusammenhang des Widerstandes bei Raumtemperatur mit dem Borgehalt. Zusammenfassend wird die Lage der Borzustände in (B,Ga)(As,P) mittels dieser und vorheriger Arbeiten abgeschätzt. Der Heteroübergang von GaP zu Silizium ist aufgrund der polar - unpolar Grenzfläche zwischen diesen beiden Halbleitern schwer zu kontrollieren. Die resultierenden Problematiken werden in dieser Arbeit adressiert und die elektrischen Transporteigenschaften entlang der Grenzfläche werden analysiert. Die Transporteigenschaften bei tiefen Temperaturen werden in Abhängigkeit der Kristallqualität hinsichtlich der Leitfähigkeit untersucht. Um die Kristallqualität und die elektrischen Transporteigenschaften zu korrelieren, werden diverse Mess- und Strukturierungsverfahren genutzt. Zur Untersuchung der strukturellen Qualität der Proben werden AFM-, TEM- und SIMS-Messungen durchgeführt. Um den Transportkanal bzw. die Eigenschaften genauer zu lokalisieren, wird mittels Argon-Ionenstrahlätzens die GaP-Schicht stückweise entfernt, um das tiefenabhängige Verhalten der Leitfähigkeit zu untersuchen. Des Weiteren wird die Schichtdicke der GaP-Schicht variiert, um so die GaP-Schichtdicke mit den Leitfähigkeitseigenschaften zu korrelieren. The tunability of semiconductor properties by alloying is the basis for their technical application. Many systems exhibit almost linear changes of their properties e.g. band gap as a function of composition e.g. (Al,Ga)As. However, few alloys show very non-linear properties e.g. Ga(N,As) or (B,Ga)P. In these cases, it is mandatory to systematically analyze the influence and effect of these impurities on the properties in order to be able to make proper use of those alloys. In the first part of this work the influence of nitrogen and boron related isovalent impurities and their impact on the electrical transport in III-V-smiconductors are investigated. To investigate the effects and impacts of the isovalent impurities on the electrical transport, temperature dependent magnetotransport-measurements are used. In addition to this method, hydrostatic pressure was applied in the magnetotransportmeasurements. Under hydrostatic pressure the density of states of the conduction band and those of the isovalent impurities shift apart. In the n-Ga(N,As)-material system the influence of the nitrogen related isovalent impurities in dependence of the nitrogen concentration is investigated. The main focuses are on the influence of the energetic position of the isovalent impurities relative to the Fermi-level as well as the trapping character of the isovalent impurities. In addition to that, a two-band model is discussed concerning the unusual behavior of the Hall-constant which depends on magnetic field. The behavior of boron containing III-V-semiconductors (B,Ga)P and (B,Ga)(As,P) are investigated with the same methods as mentioned above. The main topic in these boron containing material systems is the trapping character of the boron related isovalent impurities which are investigated by temperature and pressure-dependent free-carrier concentration statistics to deduce a density of states for the isovalent impurities. Further investigations concerning the dependence of the trapping character on the type of donor and the correlation of the resistivity at room temperature and the boron content are discussed. With the results of this work and literature research the energetic position of the boron related impurity states in (B,Ga)(As,P) are estimated. The heterojunction of GaP and silicon is difficult to control due to the polar-nonpolar interface between those two semiconductors. The resulting problems are addressed and the electric transport properties along the interface are investigated. The transport properties at low temperatures in dependence of the crystal quality are analyzed. To investigate and correlate the crystal quality and electrical properties various measure and patterning methods are used. The structure quality is investigated by AFM-, TEM-, and SIMS-measurements. To locate the transport channel, argon-ion-etching is applied to remove the GaP layer nanometer by nanometer to obtain a depth profile of the conductivity. Furthermore, variation of the GaP layer thickness is studied to establish the correlation between electrical conductivity and layer thickness.