Effect of B and N isovalent impurities on the electronic transport of GaAs and GaP based alloys for silicon photonics and photovoltaics
Final Report Abstract
Im Projekt wurde gezeigt, dass die lokalisierten N- oder B-induzierten Störstellenzustände einen wesentlichen Einfluss auf den intrinsischen Leitungsbandtransport in n-leitenden, schwach mit Stickstoff oder Bor legierten, volumenartigen epitaktischen Ga(As,P) Dünnschichten haben. Das Verständnis dieser Effekte ist essentiell für die Anwendung dieser Materialsysteme in der Optoelektronik, wenn man eine monolithische Integration von III-V Halbleitern auf Siliziumsubstraten anstrebt. Im Falle des GaNXAs1-x:Te wurde gezeigt, dass die Elektronenbeweglichkeit relativ niedrige Werte im Vergleich zu GaAs gleicher Dotierung aufweisen sowie dass Anomalien der Beweglichkeit und eine starke Abnahme der Ladungsträgerkonzentration als Funktion eines angelegten hydrostatischen Drucks auftreten. Die Ursache dafür sind lokalisierte Stickstoffzustände im Leitungsband und zugehörige Potentialfluktuationen des ternären Systems. Fahy und O’Reilly zeigten, dass die intrinsische Elektronenbeweglichkeit von den angesprochenen ca. 9000 cm2/Vs bei Raumtemperatur auf ca. 1000 cm2/Vs gesenkt wird. Mit steigendem Stickstoffgehalt ist aus statistischen Gründen die Wahrscheinlichkeit für eine Bildung von Stickstoffpaaren oder Clustern erhöht. Diese Paare und Cluster liegen energetisch in der Nähe der Leitungsbandkante und können somit sehr effektiv als Streuzentren und Elektronenfallen für Elektronen wirken. Mit zunehmenden hydrostatischen Druck schiebt die Leitungsbandkante am Gamma-Punkt durch diese Stickstoffzustände und freie Elektronen werden gebunden. Im Falle des BxGa1-xP:Te werden lokalisierte Bor-Zustände resonant mit der Leitungsbandkante am X-Punkt gebildet. Im Vergleich mit GaP:Te verschlechtern auch diese lokalisierten B-Zustände die Elektronenbeweglichkeit deutlich. Anlegen von hydrostatischem Druck verbessert hier die Beweglichkeit und erhöht die freie Ladungsträgerkonzentration, da die Wirtsleitungsbandzustände am X-Punkt unter Druck relativ zu den lokalisierten B-Zuständen zu tieferen Energien schieben, so dass die Störstellen gebundene Elektronen wieder freisetzen und die Beweglichkeit zunimmt. Die Ergebnisse konnten für (BxGa1-x)(As0,11P0,89):Te bestätigt werden und die Zustandsdichte der Borzustände in der Nähe der Leitungsbandkante abgeschätzt werden. Zudem konnten wir zeigen, dass weder Bor noch Stickstoff einen starken Einfluss auf den Transport im Valenzband dieser Halbelitermischsysteme bei p-Dotierung aufweisen. Ein weiterer Schwerpunkt des Projektes lag auf der Untersuchung der durch das Silizium-Substrat und das monolithische Wachstum hervorgerufenen, extrinsischen Effekte auf die Transporteigenschaften der hergestellten B oder N legierten III-V Schichten. Elektrischer Transport über diese Grenzfläche spielt ebenfalls eine wesentliche Rolle in optoelektronischen Bauelementen auf Basis von III-V Halbleitern auf Silizium-Substraten. Die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen GaP und Silizium wurden für Proben mit unterschiedlichen Grenzflächenmorphologien untersucht. Es zeigte sich, dass je nach Kristallqualität des GaP und entsprechender Grenzflächenstruktur zwischen dem GaP und dem Si-Buffer andere Transportkanäle entlang der Grenzfläche auftreten. Das Auftreten der Transportkanäle konnte mit der Bildung von Anti-Phasen-Grenzen im Wachstum korreliert werden. Diese Transportkanäle werden auch den vertikalen Transport durch die Grenzfläche beeinflussen.
Publications
- Effect of boron localized states on the conduction band transport in BxGa1-xP. Applied Physics Letters, Vol. 105. 2014, Issue 22, 22105.
S. Petznick, L. Ostheim, P. J. Klar, S.Liebich, K. Volz, W. Stolz
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4903244) - Interplay of boronlocalized states and electron transport in BxGa1-xAs0.11P0.89:Te. Semiconductor Science and Technology, Vol. 31. 2016, Number 7, 07LT01.
L. Ostheim, P. J. Klar, S. Liebich, P. Ludewig, K. Volz, W. Stolz
(See online at https://doi.org/10.1088/0268-1242/31/7/07LT01)
