Zeemanspektroskopie an tiefen Zentren in GaP und SiC

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Ergebnisse optischer Zeeman- und Piezospektroskopie an tiefen Störstellen in Galliumphosphid und Siliciumcarbid vorgestellt.

Galliumphosphid ist seit etwa 30 Jahren das gängige Material für die Herstellung von Licht-Emittierenden Dioden (LEDs). Dementsprechend intensiv wurden die Übergangsmetalle im GaP studiert, die zu den häufigsten Verunreinigungen zählen und oft schon beim Probenwachstum in das Material gelangen. Sie bilden tief in der Bandlücke liegende Zentren aus, die als Kanäle für schnelle nichtstrahlende Rekombination, sogenannte Lumineszenzkiller wirken können oder aber Haftstellen für Elektronen bilden und so die Ladungsträgerkonzentration herabsetzen. Diese Eigenschaft wird bei anderen III-V-Halbleitern (GaAs:Cr, InP:Fe) auch zur Herstellung semiisolierender Substrate gezielt eingesetzt.

Die hier vorgestellten Untersuchungen befassen sich mit Chrom-Zentren im Galliumphoshid. Während Chrom in Galliumarsenid intensiv studiert wurde und seine Eigenschaften weitgehend geklärt sind, zählt es im Galliumphosphid zu den am wenigsten verstandenen Systemen. Insbesondere wurde kürzlich in hochaufgelösten Absorptionsspektren von GaP:Cr2+ eine weitere Linie entdeckt, die nicht mit dem bisherigen Modell erklärbar ist. Es wurde daher die Vermutung geäußert, sie könne zu einem anderen Chrom-Zentrum gehören. In der vorliegenden Arbeit wird anhand von piezospektroskopischen Messungen diese These widerlegt. Aufbauend auf Zeemanmessungen am gleichen System wird eine Erweiterung des Modells diskutiert, mit der sich die spektroskopischen Daten beschreiben lassen.

Noch weniger ist über das im weiteren untersuchte Chrom-Schwefel-Zentrum bekannt, das in kodotierten Proben gefunden wurde. Die gemessene Druckantwort hat trigonalen Charakter, der auf ein Chrom-Schwefel-Paarzentrum schließen läßt, bei dem sich die beteiligten Atome auf benachbarten Gitterplätzen befinden. Zeemanmessungen zeigen, daß die Ankopplung von tetragonalen Phononen durch die trigonale Achse nicht vollständig unterdrückt wird. Es werden zwei mögliche Ansätze zur Beschreibung dieser Wechselwirkung diskutiert.

Obwohl Siliciumcarbid als Material für die Herstellung der blauen LED zunehmend von Galliumnitrid verdrängt wird, ist es aufgrund seiner exzellenten thermischen Stabilität immer noch ein wichtiges Material für Hochleistungs- und Hochtemperaturbauelemente. Darüberhinaus dient es wegen seiner geringen Gitterfehlanpassung zum Galliumnitrid als Substratmaterial bei der Herstellung epitaktischer GaN-Schichten.

Die von den Übergangsmetallen Titan, Vanadium und Chrom im Siliciumcarbid gebildeten tiefen Störstellen sind von besonderer Bedeutung, da diese drei Elemente neben Bor und Stickstoff als häufigste Verunreinigungen in diesem Material vorkommen. Zu Chrom-Zentren in SiC gibt es jedoch bisher nur wenige Untersuchungen. In dieser Arbeit werden Photolumineszenzmessungen am System 4H-SiC:Cr4+ vorgestellt. Zur Interpretation der Zeeman-Messungen wird ein neues Modell diskutiert, das einen Spin-Flip-Übergang zwischen angeregtem Zustand und Grundzustand annimmt. Es wird eine Anregungsserie vorgestellt, die eine Sättigung des Übergangs als Ursache für das schwache Strahlen des Zentrums nahelegt.

In this work results of optical Zeeman and piezospectrosopy of deep levels in gallium phospide and silicon carbide are presented.

For the last 30 years gallium phosphide has been the common material for the fabrication of light-emitting diodes (LEDs). Accordingly there has been great interest in transition metals in GaP as they are among the most common impurities often incorporated into the material during sample growth. They form centers lying deep within the band gap which can act as channels for fast non-radiative recombination, so called luminescence killers, or may act as electron traps thereby reducing the carrier concentration. A property that is being used in the fabrication of semi-insulating substrates of other III-V compound semiconductors (GaAs:Cr, InP:Fe).

The results presented here are dealing with chromium centers in gallium phosphide. While chromium has been intensively studied in gallium arsenide where its properties can largely be explained, it remains one of the least understood systems in gallium phosphide. In particular, recently a new absorption line was found in high-resolution spectra of GaP:Cr2+ which can not be explained with the current model. Hence it was speculated that the line belongs to a different chromium center. In the present work this assumption is refuted on the basis of piezospectroscopic data. Based on Zeeman measurements on the same system an extension of the common model is discussed that can explain the spectroscopic data.

Even less is known about the furthermore studied chromium-sulphur center found in co-doped samples. The measured pressure response exhibits trigonal character which suggests a chromium-sulphur pair center where the participating atoms are situated on adjacent lattice sites. Zeeman data shows that the coupling of tetragonal phonons can not be suppressed completely by the trigonal axis. Two possible approaches to explaining the observed interaction are discussed in this work.

Even though silicon carbide is being increasingly superseded by gallium nitride for the fabrication of the blue LED, it is still an important material for high-power and high-temperature devices due to its excellent thermal stability. Furthermore it exhibits a small lattice mismatch to gallium nitride and thus serves as a substrate material for the fabrication of epitaxial GaN layers.

The deep levels formed by the transition metals titanium, vanadium and chromium in silicon carbide are of particular interest as these three elements are amongst the most common impurities in this material, next to boron and nitrogen. However, only very few studies of chromium centers in SiC are known. In this work photoluminescence measurements on the 4H-SiC:Cr4+ system are presented. For the interpretation of the Zeeman data a new model based on a spin-flip transition between excited and ground state is discussed. An excitation series is presented which suggests that the weak radiation of the center is due to a saturation of the transition.