Study of Annealing Effect on Dilute Nitride Alloys

Abstract

Annealing is an important fabrication process for devices based on the (In)GaAsN group of materials. This thesis studies two topics related to annealing of dilute nitrides: 1\. The mechanism of structural changes during rapid thermal annealing at different temperatures on a set of GaAsN/GaAs MQWs; the structural and optical properties of the samples were studied by XRD, PL, TEM and Raman Spectroscopy. We found that the main mechanisms for structural change are different in different temperature ranges: at low temperatures (< 750°C), the principal mechanism is the annihilation of point defects; at medium temperatures (~ 750°C), a short-range ordered structure is formed (the negative annealing stage); at high temperatures (> 750°C), a low density of dislocations is formed by clustering of the residual defects. 2\. The mechanism of atomic-dimensional structural changes during annealing of different durations of an InGaAsSbN/GaAs SQW was investigated by studying their In K-edge EXAFS spectra. In this study, firstly, the Sb and N atomic fraction ranges in the In first shell were determined. Secondly, a defect- complex-structure related feature was observed in the spectra. We propose that this complex is composed of an N-N dimer and an As-N pair. During annealing of medium duration, part of the defects was annihilated; but when the sample was annealed with a longer duration, a portion of the N-N dimers converted to In- As defects.

Thermisches Ausheilen (annealing) ist ein wichtiger technologischer Schritt bei der Herstellung von Bauelementen auf der Basis von GaAsN/GaAs. Diese Arbeit ist zwei Aspekten des thermischen Ausheilens von so genannten verdünnter Nitride wie dem GaAsN gewidmet. 1\. Es werden die Änderungen der Realstruktur beim schnellen thermischen Ausheilen in Abhängigkeit von der Ausheiltemperatur an einem Probensatz von GaAsN/GaAs MQWs erforscht. Strukturelle als auch optische Eigenschaften der Proben werden durch XRD, PL, TEM und Raman Spektroskopie studiert. Wir stellen fest, dass die Mechanismen der Modifikation der Realstruktur für unterschiedliche Ausheiltemperaturbereiche wechseln: Bei tieferen Ausheiltemperaturen (< 750°C) erfolgt eine Reduktion der Punktdefektkonzentration, gefolgt von einer Phase der Konsolidierung einer Nahordnung (~ 750°C; "negative Ausheilung"). Bei höheren Temperaturen (> 750°C) gibt es eine schwache Tendenz zur Bildung von Versetzungsclustern aus verbliebenen Realstrukturdefekten. 2\. Auf der atomaren Skala konnte der Einfluss der thermisches Ausheildauer an einem InGaAsSbN/GaAs SQW mittels In K-alpha EXAFS Spektroskopie erforscht werden. Erstmals wurden die Sb und N-Anteile innerhalb der Umgebung der nächsten Nachbarn der In-Atome bestimmt. Weiterhin wurde in den Spektren eine Struktur gefunden, die einem Defektkomplex zugeordnet wird. Wir schlagen vor, dass dieser Komplex als aus einem N-N-Dimer und einem As-N-Paar bestehend interpretiert wird. Bei mittleren Ausheilzeiten wird ein Teil dieser Defekte vernichtet, während bei längeren Ausheilzeiten ein Teil der N-N-Dimere in In- As Defekte umgewandelt wird.