Spektralellipsometer
Final Report Abstract
Generalisierte Ellipsometrie erlaubt die parameterfreie Bestimmung der komplexen dielektrischen Funktion (DF) von Volumenmaterialien und Dünnschichtsystemen. Der spektrale Verlauf vom mittleren bis in den nahen infraroten Spektralverlauf wird wesentlich durch den Einfluss von transversal-optischen (TO) Phononen, freie Ladungsträger (Plasmonen) und gekoppelten longitudinal-optischen Phononen-Plasmonen-Polaritonen (LPP) geprägt. Die Analyse der experimentellen Daten liefert die entsprechenden Frequenzen, woraus schließlich strukturelle Daten (Verspannung), Bandstruktureigenschaften (effektive Massen von Ladungsträgern und Transporteigenschaften (Beweglichkeiten) auf optischem Wege ermittelt werden können. Die Untersuchung des Einflusses hoher Dotierung auf die Bandstruktur und damit verbunden auf die optischen Eigenschaften im IR von verschiedensten Halbleitermaterialien stellte einen Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten im Förderzeitraum dar. Für die Gruppe-III-Nitride wurde für hexagonales GaN das Dotierverhalten mit Silizium und Germanium umfassend analysiert, wobei sowohl c-planare als auch a-planare Volumensubstrate und mittels MOCVD gewachsene Schichten untersucht wurden. Als Ergebnis wurde die Abhängigkeit der effektiven Elektronenmasse m*e von Ladungsträgerdichte (n) ermittelt. Es zeigt sich, dass die Masse eine ca. 10%-ige Anisotropie zwischen paralleler und senkrechter Orientierung bezüglich der c-Achse aufweist. Eine deutliche Erhöhung der effektiven Masse, zurückzuführen auf die Nichtparabolizität des Leitungsbandes setzt, für n>~5*1019 cm-3 ein. Für SnO2 in Rutilstruktur als einem der wichtigen Vertreter der transparent leitfähigen Oxide (TCO) zeigen unsere Daten, dass sowohl die Anisotropie der Elektronenmasse als auch die Nichtparabolizität des Leitungsbandes wesentlich stärker ausgeprägt sind als für GaN. Des Weiteren wurden die IR-Daten von einkristallinem In2O3 (Einkristalle und epitaktische MBE-Schichten) einer umfassenden Neubewertung unterzogen. Für undotiertes Material konnte erstmals eine Vielzahl von TO-Frequenzen mit höchster Präzession ermittelt werden. Zum anderen wurde gezeigt, dass die optische Antwort in Gegenwart von hohen Ladungsträgerdichten sich sehr gut im klassischen Drude-Modell beschreiben lässt, wobei die Dämpfungskonstante in einem weiten Spektralbereich konstant ist und sich somit auch über die nabhängige effektive Masse und die Gleichstrombeweglichkeit (Hall-Effekt) berechnen lässt. Als Grundlage für die detaillierte Auswertung der Ellipsometrie-Untersuchungen wurden zudem von Substraten wie Saphir, MgO, Yttrium-stabilisiertes Zirkonoxid oder nitridischen Zwischenschichten (AlN, AlGaN) die IR-DFs ermittelt.
Publications
- „Anisotropy of electron effective masses in highly doped nonpolar GaN“ Appl. Phys. Lett. 103(23), 232104 (2013)
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M. Wieneke, H. Witte, K. Lange, M. Feneberg, A. Dadgar, J. Bläsing, R. Goldhahn, A. Krost
- „Anisotropy of the electron effective mass in rutile SnO 2 determined by infrared ellipsometry“ Phys. Status Solidi A 211(1), 82-86 (2014)
M. Feneberg, C. Lidig, K. Lange, M.E. White, M.Y. Tsai, J.S. Speck, O. Bierwagen, R. Goldhahn
(See online at https://dx.doi.org/10.1002/pssa.201330147) - „Band gap renormalization and Burstein-Moss effect in silicon- and germanium-doped wurtzite GaN up to 10 20 cm -3“ Phys. Rev. B 90(07), 075203/1-10 (2014)
M. Feneberg, S. Osterburg, K. Lange, C. Lidig, B. Garke, R. Goldhahn, E. Richter, C. Netzel, M.D. Neumann, N. Esser, S. Fritze, H. Witte, J. Bläsing, A. Dadgar, A. Krost
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.075203) - „Ordinary and extraordinary dielectric functions of rutile SnO2 up to 20 eV“ Appl. Phys. Lett. 104(23), 231106 (2014)
M. Feneberg, C. Lidig, K. Lange, R. Goldhahn, M.D. Neumann, N. Esser, O. Bierwagen, M.E. White, M.Y. Tsai, J., S. Speck
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4882237)
