Growth and in situ characterisation of dilute nitride quantum well structures

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2007-04-13
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
52, [24]
Series
TKK dissertations, 66
Abstract
In this work epitaxial growth and in situ characterisation of dilute nitride quantum well (QW) structures are studied. Dilute nitrides are III-V compound semiconductors with low (typically < 5%) composition of nitrogen in the lattice. Metal organic vapor phase epitaxial (MOVPE) system was used to grow the structures and in situ reflectance monitoring in normal incidence at a wavelength of 635 nm was utilised to study the growth process of the structures. Ex situ characterisation was performed by x-ray diffractometry and photoluminescence measurements. The nitrogen content of (In)GaAsN was found to depend on many MOVPE growth parameters. Increased nitrogen content was obtained with decreasing growth temperature, increasing DMHy/V and TBAs/III ratios and when nitrogen (N2) was used as a carrier gas instead of hydrogen (H2). In situ reflectance data was measured during growth of GaAsN/GaAs, InGaAs/GaAs and InGaAsN/GaAs multi quantum well (MQW) structures. The reflectance curve was observed to be different when MQW structures with different compositions were grown. The reflectance data was analysed by an experimental method utilising the dependence of the reflectance change observed during growth of the QW on the QW composition. Additionally, reflectance curves for multi layer stacks were calculated and the measured curves were compared to the calculated ones. With both methods the sample composition can be determined in situ if the growth rates of the layers are known. In the process of comparing calculated and measured reflectance curves, the high temperature complex refractive indices of the various QW materials were obtained. The imaginary part of the complex refractive index of (In)GaAsN was found to be linearly dependent on the nitrogen content, as well as both real and imaginary parts of the complex refractive index of InGaAs depended linearly on the indium content. However, changing the nitrogen content did not change the real part of the complex refractive index of (In)GaAsN. The in situ analysis methods of MQW structures developed in this work can be used to obtain information about the growth process as well as about the materials themselves.

Tässä väitöstyössä tutkittiin typpeä sisältävien kvanttikaivorakenteiden epitaktista valmistusta ja karakterisointia in situ. Rakenteet valmistettiin käyttäen metallo-orgaanista kaasufaasiepitaksiaa (engl. metal organic vapor phase epitaxy, MOVPE) ja valmistuksenaikainen tarkkailu toteutettiin MOVPE-laitteeseen kytketyllä kohtisuoran heijastuksen mittauslaitteistolla käyttäen 635 nm aallonpituutta. Valmistuksen jälkeisessä rakenteiden karakterisoinnissa käytettiin röntgendiffraktio- ja fotoluminesenssimittauksia. Monien valmistusparametrien havaittiin vaikuttavan näytteiden typpipitoisuuteen MOVPE-prosessin aikana. Matalassa lämpötilassa valmistettujen näytteiden typpipitoisuus havaittiin suuremmaksi kuin korkeassa lämpötilassa valmistettujen näytteiden. Samaten DMHy/V-suhteen suurentaminen ja TBAs/III-suhteen suurentaminen kasvattivat typpipitoisuutta. Typpipitoisuuden havaittiin olevan suurempi näytteissä, joiden valmistuksessa oli käytetty typpeä (N2) kantajakaasuna vedyn (H2) sijaan. GaAsN/GaAs, InGaAs/GaAs ja InGaAsN/GaAs monikvanttikaivorakenteiden (engl. multi quantum well, MQW) valmistusta tarkkailtiin heijastusmittauksin. Heijastuskäyrän havaittiin muuttuvan näytteiden koostumuksen muuttuessa. Heijastusdata analysoitiin käyttämällä kokeellista menetelmää, joka hyödyntää kvanttikaivon valmistuksenaikaisen heijastusmuutoksen ja kaivon koostumuksen välistä yhteyttä. Tämän lisäksi usean kerroksen rakenteille laskettiin heijastuskäyriä ja verrattiin niitä mitattuihin käyriin. Molemmilla metodeilla voidaan määrittää kvanttikaivon koostumus, mikäli kerrosten kasvunopeudet tunnetaan. Laskettuja ja mitattuja heijastuskäyriä vertailemalla saatiin selvitettyä kvanttikaivomateriaalien kompleksiset taitekertoimet valmistuslämpötilassa. (In)GaAsN:n kompleksisen taitekertoimen imaginaariosan havaittiin muuttuvan lineaarisesti typpipitoisuuden funktiona, kuten myös InGaAs:n kompleksisen taitekertoimen reaali- ja imaginaariosat riippuivat lineaarisesti indiumpitoisuudesta. Typpipitoisuuden muutoksen ei kuitenkaan havaittu vaikuttavan (In)GaAsN:n reaaliosaan. Tässä työssä kehitetyillä MQW-rakenteiden in situ -karakterisointimenetelmillä voidaan saada tietoa valmistusprosessista sekä valmistettavasta materiaalista itsestään.
Description
Keywords
MOVPE, epitaxy, quantum wells, in situ monitoring, dilute nitrides, MOVPE, epitaksia, kvanttikaivo, valmistuksenaikainen tarkkailu, laimeat nitridit
Other note
Parts
  • O. Reentilä, M. Mattila, M. Sopanen, and H. Lipsanen, Nitrogen content of GaAsN quantum wells by in situ monitoring during MOVPE growth, Journal of Crystal Growth 290 345-349 (2006). [article1.pdf] © 2006 Elsevier Science. By permission.
  • O. Reentilä, M. Mattila, L. Knuuttila, T. Hakkarainen, M. Sopanen, and H. Lipsanen, In situ determination of nitrogen content in InGaAsN quantum wells, Journal of Applied Physics 100 013509 (2006). [article2.pdf] © 2006 American Institute of Physics. By permission.
  • O. Reentilä, M. Mattila, L. Knuuttila, T. Hakkarainen, M. Sopanen, and H. Lipsanen, Comparison of H<sub>2</sub> and N<sub>2</sub> as carrier gas in MOVPE growth of InGaAsN quantum wells, Journal of Crystal Growth 298 536-539 (2007). [article3.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
  • O. Reentilä, M. Mattila, M. Sopanen, and H. Lipsanen, In situ determination of InGaAs and GaAsN composition in multiquantum-well structures, Journal of Applied Physics 101 033533 (2007). [article4.pdf] © 2007 American Institute of Physics. By permission.
  • O. Reentilä, M. Mattila, M. Sopanen, and H. Lipsanen, Simultaneous determination of indium and nitrogen contents of InGaAsN quantum wells by optical in situ monitoring, Applied Physics Letters 89 231919 (2006). [article5.pdf] © 2006 American Institute of Physics. By permission.
  • L. Knuuttila, O. Reentilä, M. Mattila, and H. Lipsanen, Comparison of Ge and GaAs substrates for metalorganic vapor phase epitaxy of GaIn(N)As quantum wells, Japanese Journal of Applied Physics 44 L1475-L1477 (2005).
Citation
Permanent link to this item
https://urn.fi/urn:nbn:fi:tkk-009135