Growth and characterization of Ga(As,N) and (In,Ga)(As,N)

Abstract

This dissertation deals with the MBE growth and characterization of Ga(As,N) and (In,Ga)(As,N). The work commences with the optimization of the Ga(As,N) growth. Owing to a large miscibility gap of GaN in GaAs, the incorporation of nitrogen into GaAs causes a structural degradation that is dependent on the substrate temperature, the nitrogen concentration, and the quantum well thickness. Another problem related to the growth of Ga(As,N) are point defects that have a detrimental influence on optical properties. A thermal treatment of Ga(As,N) reduces the concentration of these point defects. This leads to a substantial improvement of optical properties. We will show that nitrogen split interstitials that incorporate into gallium and arsenic vacancies may be attributed to these point defects. A thermal treatment of Ga(As,N) at high temperatures, on the contrary, results in a creation of extended defects which are detrimental to optical properties. We will show that the temperature of the thermal treatment that yields the highest photoluminescence intensity is nitrogen concentration-dependent. The growth of (In,Ga)(As,N) is similar with respect to Ga(As,N). Again, one has to face a high miscibility gap of (In,Ga)N in (In,Ga)As that results in a structural degradation. A thermal treatment of (In,Ga)(As,N) is also beneficial for improving optical properties. We will show that a thermal treatment of (In,Ga)As results in an indium diffusion that is suppressed by the incorporation of nitrogen. The characterization of (In,Ga)(As,N) edge emitting lasers shows emission at wavelengths up to 1366 nm. With higher nitrogen concentrations, there is a strong increase of the threshold current density and a decrease of the output power.

Das Thema dieser Dissertation ist das MBE-Wachstum und die Charakterisierung von Ga(As,N) und (In,Ga)(As,N). Die Arbeit beginnt mit der Optimierung des Wachstums von Ga(As,N). Aufgrund der hohen Mischbarkeitslücke von GaN in GaAs verursacht der Einbau von Stickstoff in GaAs eine strukturelle Degradation, die von der Substrattemperatur, der Stickstoffkonzentration und der Quantentopfdicke abhängt. Ein weiteres Problem bezüglich des Wachstums von Ga(As,N) sind Punktdefekte, die einen schädlichen Einfluß auf optische Eigenschaften haben. Eine thermische Behandlung verringert die Konzentration dieser Punktdefekte. Dies geht mit einer Steigerung der Photolumineszenz-Intensität einher. Punktdefekte sind zum Beispiel Stickstoff-Dimere, die sich in Gallium- oder Arsen-Vakanzen einbauen. Eine thermische Behandlung bei hohen Temperaturen bewirkt jedoch eine strukturelle Degradation im Ga(As,N)-Materialsystem, die sich in einer Abnahme der Photolumineszenz-Intensität manifestiert. Es wird gezeigt, daß die Temperatur der thermischen Behandlung, die die höchste Photolumineszenz-Ausbeute erzielt, von der Stickstoffkonzentration abhängt. Bezüglich des Wachstums von (In,Ga)(As,N) verursacht die Mischbarkeitslücke von (In,Ga)N in (In,Ga)As ebenfalls eine strukturelle Degradation. Auch im quaternären Materialsystem ist eine thermische Behandlung essentiell für die Verbesserung optischer Eigenschaften. Es wird außerdem gezeigt, daß die thermische Behandlung von (In,Ga)As eine Indiumdiffusion verursacht, die durch den Einbau von Stickstoff gestoppt wird. Die Charakterisierung von (In,Ga)(As,N) kantenemittierenden Lasern zeigt Emissionen bei Wellenlängen bis zu 1366 nm. Mit dem Einbau von Stickstoff ist ein Anstieg der Schwellstromdichte und ein Abfall der Emissionsleistung verbunden.