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3. Materialsysteme 3.2. Galliumnitrid Galliumnitrid (GaN) ist ein transparentes, robustes III-V-Halbleitermaterial mit einer großen elektronischen Bandlücke (Eg ≈ 3.39 eV) [50], die im blauen Bereich des sichtbaren Lichtspektrums liegt. Trotz großer Gitterdefektdichten im Kristallwachstum zeichnet es sich durch hohe Quantenausbeuten aus, was es zu einem attraktiven Material in der Optoelektronik macht. Das steigende Interesse an GaN und anderen III- V-Halbleitermaterialien in der Optoelektronik lässt sich gut über die in Abb. (eV) 7 6 5 4 3 2 GaN AlN AlP GaP AlAs 1 InN GaAs InP InAs 0 2.5 3 3.5 4 4.5 5 (Å) 5.5 6 6.5 Abb. 3.2.1: Karte der III-V-Halbleiter [26]. 3.2.1 dargestellte Halbleiterkarte begründen. Die Abbildung zeigt die gängigsten III- V-Halbleitermaterialien, eingeordnet nach Gitterkonstante und optischer Bandlücke des jeweiligen Systems. Der Bereich des sichtbaren Lichtspektrums ist dabei farbig markiert. Aus der Karte geht hervor, dass durch die Kombination der III-V-Halbleiter die Möglichkeit besteht, den gesamten Spektralbereich des sichtbaren Lichtes abzudecken, was die Grundlage für eine Vielzahl von Anwendungen liefert. Es können jedoch nur Halbleiter mit ähnlicher Gitterkonstante miteinander kombiniert werden, da es sonst zu einer erhöhten Defektdichte kommt. Aus diesem Grund erfolgt die Einteilung der Halbleitermaterialien in folgende Gruppen: die Arsenide-Phosphide, die Nitride und die Antimonide. 3.2.1. Kristallstruktur GaN kristallisiert sowohl in der Wurtzitstruktur als auch in der Zinkblendestruktur aus. Bei der Zinkblendestruktur handelt es sich um eine metastabile Struktur die technologisch unrelevanter und die im Vergleich zur Wurtzitstruktur schwerer herzustellen ist. In Abb. 3.2.2 ist die hexagonale Einheitszelle der Wurtzitstruktur schematisch dargestellt. Sowohl die Ga-Atome als auch N-Atome ordnen sich tetraedrisch an, wobei die Atome eines Elementes vier Bindungen mit den benachbarten Atomen des jeweils anderen Elementes ausbilden. Die Gitterkonstanten der Wurtzitstruktur betragen a = 3,189 Å und c = 5,185 Å. Die GaN-Wurtzitstruktur besitzt entlang der c-Achse keine Spiegelebene und dadurch kein Inversionszentrum, wodurch GaN-Kristalle entlang dieser Kristallachse piezoelektrisches Verhalten zeigen. 34
3.2. Galliumnitrid Durch das fehlende Inversionszentrum ist beispielsweise die [0001]-Richtung nicht äquivalent mit der [0001]-Richtung und die Oberflächen (c-plane) weisen eine unterschiedliche Terminierung auf. Die (0001)-Oberfläche wird durch N-Atome gebildet und die (0001)-Oberfläche von Ga-Atomen. Diese beiden verschiedenen Polaritäten sind in Abb. 3.2.3 veranschaulicht. Experimentell hat sich gezeigt, dass mit molecular beam expitaxy (MBE) hergestellte GaN-Kristalle überwiegend N-terminiert sind [51], während mittels metal organic vapour phase epita- Abb. 3.2.2: Schematische Darstellung der Wurtzitxy (MOVPE) gewachsene GaN-Kristalle struktur von GaN (blau: Gallium, grün: Stickstoff). hauptsächlich Ga-terminiert sind. Die unterschiedliche Terminierung äußert sich auch in unterschiedlichen Eigenschaften. Die Ga-Polarität besitzt einige Vorteile gegenüber der N-polaren Oberfläche, wie beispielsweise eine glattere Oberflächenmorphologie und stabilere chemische Eigenschaften [52]. Auch bezüglich der Adsorption von Kontaminaten, wie z.B. Sauerstoff, verhalten sich die beiden Oberflächen verschieden. So adsorbiert weniger Sauerstoff auf der Ga-polaren Oberfläche als auf der N-polaren. Dieses Verhalten wird theoretisch mit einer größeren Anzahl von DB auf der N-terminierten Oberfläche erklärt [53]. Abb. 3.2.3: Unterschiedliche Terminierung der GaN-Wurtzitstruktur (blau: Gallium, grün: Stickstoff). 35
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Die N1s-Emissionslinie 6.2. Emissio
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Intensität (arb. units) 294 CH x O
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Chemische Charakterisierung 6.3. Re
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Literaturverzeichnis [18] T. A. Wit
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Literaturverzeichnis [57] A. R. Smi
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Literaturverzeichnis [92] Z. Iqbal,
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Literaturverzeichnis [127] S. Grede
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Ahrens. Obwohl ihr beide sehr viel
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