Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften von polaren Galliumnitrid-Schichten
Lorenz, Pierre - Technische Universität Ilmenau (2010)
Die Gruppe III - Nitride erlauben auf Grund ihrer Materialeigenschaften vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere für die GaN-basierte Gas- und Biosensorik ist ein Verständnis der Oberflächen sowie deren Wechselwirkung mit Molekülen entscheidend. Zur Analyse solcher Systeme wurden polare GaN Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Die Oberflächenrekonstruktion sowie die Terminierung konnten gezielt durch Variation der Wachstumsparameter bzw. weiteren Präparationsschritten eingestellt werden. Es wurden nichtrekonstruierte GaN(0001) und GaN(000-1) Oberflächen sowie Gallium- und Stickstoff-induzierte 2x2 rekonstruierte GaN(0001) Oberflächen hergestellt. Die unterschiedlichen Oberflächenmodifikationen unterscheiden sich in der Ausbildung von Oberflächenzuständen.
Bei den Ga-induzierte und N-induzierte 2x2 rekonstruierte Oberflächen lassen sich 2 Oberflächenzustände (SS) bei einer Bindungsenergie von 1,4 eV und 3eV bzw. 2eV und 3 eV finden. Bei der nichtrekonstruierten GaN(0001) wurden dagegen drei SS (1,5eV, 2,5eV und 3,4 eV) und bei der GaN(000-1) nur ein SS (2,5 eV) detektiert. Diese Ergebnisse weisen eine gute Übereinstimmung mit der mittels Dichtefunktionaltheorie berechneten Oberflächenzuständen auf. Nach der erfolgreichen Charakterisierung wurde die Wechselwirkung mit Sauerstoff und Wasser untersucht. Dabei wurde eine Abhängigkeit der Reaktion der Oberflächen von der Orientierung, Rekonstruktion sowie Terminierung gefunden. GaN(000-1) Oberflächen sind gegenüber Sauerstoff und Wasser deutlich reaktiver als GaN(0001) orientierte Oberflächen, wobei beide GaN Oberflächenmodifikationen gegenüber Wasser deutlich reaktiver als gegenüber Sauerstoff sind. Weiterhin führt die Wechselwirkung zu einer Veränderung der Austrittsarbeit und der Oberflächenbandverbiegung. Die chemische Anbindung der Moleküle weist eine Abhängig von der Terminierung auf. Es ließen sich abhängig von der Oberflächenmodifikation sowohl Stickstoffoxid- als auch Galliumoxidbindungen nachweisen. Neben der grundlagenforschungsorientierten in-situ Untersuchung von GaN Oberflächen wurden ebenfalls GaN-basierte Bauelemente untersucht. Es wurden die Oberflächeneigenschaften von GaN-basierten "lateral polarity" (LPH GaN), InAlN/GaN und biofunktionalisierte AlGaN/GaN Heterostrukturen ermittelt.