2 Versetzungen in kristallinen Halbleitern

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Versetzungen in kristallinen Halbleitern 4 Von vollständigen Versetzungen spricht man, wenn die Kristallverschiebung um den Burgersvektor einer translationssymmetrischen Operation entspricht, ist dies nicht der Fall, handelt es sich um eine Partialversetzung. Anschaulich kann eine allgemeine Versetzungsstruktur durch eine im Innern eines idealen Kristalls liegende geschlossene Versetzungsschleife beschrieben werden (Abb. 2.1). Eine solche Schleife kann durch Scherung innerhalb des Kristalls hervorgerufen werden. Dabei werden die in der Gleitebene liegenden Bindungen des Idealkristalls aufgebrochen. Es erfolgt eine Neukonfiguration der Bindungen nach Abgleitung des Kristallbereiches um den Burgersvektor. Dabei entstehen antiparallele Stufen- und Schraubenversetzungssegmente als vollständige Versetzungsschleife an der Grenzlinie des abgeglittenen Bereiches. Bei der reinen Stufenversetzung stehen Linien- und Burgersvektor senkrecht zueinander, bei der Schraubenversetzung sind sie parallel. Der Winkel zwischen beiden Vektoren gibt einer Versetzung ihren spezifischen Namen. T T Gleitebene, Bereich umgeordneter Bindungen “eingeschobene” Netzebenen Burgersvektor Schraubenversetzung Stufenversetzung horizontale Kristalllinie vertikale Kristalllinie Abb. 2.1 Modell einer Versetzungsschleife innerhalb eines idealen Kristallgitters Die im Innern der Schleife an die Gleitebene angrenzenden Atome sind um einen halben Burgersvektor von ihrer Idealposition entfernt. Entsprechend kommt es zur Verrückung des Kristallgittergereichs. Außerhalb der Versetzungsschleife ist diese Deformation elastisch. 2.1.2 Optische und elektronische Eigenschaften von Versetzungen Als Störungen der idealen, periodischen Kristallstruktur verursachen Versetzungen Veränderungen im gitterperiodischen elektronischen Potential. Direkte Folge ist eine lokale Änderung der mechanischen, elektrischen als auch der optischen Eigenschaften des Kristalls im Bereich der Versetzungen. Ihre Präsenz im Kristall ist, aufgrund der Störung der Gitterperiodizität, verantwortlich für die Existenz von elektronischen Zuständen in der Energielücke (→ induzierte Gapzustände). Eine Unterscheidung gegenüber Punktdefekten kann aufgrund der lokalen Wirkung der Versetzungen und ihrer Ausdehnung im Kristall erfolgen. Mit Hilfe lokal auflösender Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop kann die Struktur von Versetzungskonfigurationen ermittelt werden. Die induzierten Gapzustände von Versetzungen bedingen die Existenz zusätzlicher Rekombinationskanäle (vgl. Kap 3.2). Diese stehen insbesondere bei optoelektronischen Halbleitermaterialien in Konkurrenz zu erwünschten Rekombinationsprozessen. Die Folge bei optoelektronischen Bauelementen ist eine verminderte Lumineszenzausbeute des Kristalls.
Versetzungen in kristallinen Halbleitern 5 Insbesondere bei Halbleiterlasern ist der Prozess des Versetzungseinbaus der entscheidende Grund der begrenzten Lebensdauer und Effizienz. Im Rasterelektronenmikroskop kann in der Kathodolumineszenz-Mode durch Generation von Überschussladungsträgern und die Beobachtung der daraus resultierenden Lumineszenzstrahlung die lokale Defektstruktur abgebildet werden (vgl. Kap. 4). Bei lateral aufgelöster Abbildung kann eine Versetzung anhand ihres Kontrastes als rekombinationswirksamer, ausgedehnter Defekt identifiziert werden. Aufgrund der Aktivität mindestens eines zusätzlichen Rekombinationskanals ist die Lumineszenzausbeute der Matrixemission reduziert. Folglich ist ein Defektdunkelkontrast in der Matrixemission zu erwarten. Jedoch treten in deformierten Volumenkristallen und Heteroepitaxieschichten ebenfalls Lumineszenzerscheinungen auf, die mit entstandenen Versetzungen in Verbindung gebracht werden. Die als versetzungsgebundene Lumineszenzemission beobachtete Erscheinung wurde in den Elementhalbleitern Si [sau86, sek95, sek96, ste98] und Ge [lel89, ste93] und vor allem in II-VI Verbindungshalbleitern wie CdS [schr77, neg79, tar88, hof92], CdSe [tar88, tar98] und ZnSe [dea79, dea84a, dea84b] sowie CdTe [dea84a, dea84b, schr96] registriert. Im GaN beobachtet man ebenfalls eine Lumineszenzbande, die Versetzungen zugeordnet wird [sal99]. Die Aufklärung des Ursprungs bzw. Charakters der beobachteten defektgebundenen Lumineszenzerscheinungen ist Gegenstand aktueller Untersuchungen (z.B. [schr01]). Von besonderem Interesse ist das intrinsische Rekombinationsverhalten, das an frisch erzeugten Gleitversetzungen beobachtet werden kann. Das in-situ Studium von rekombinationsinduzierten Versetzungsbewegungen (REDG-Effekt) bei tiefen Temperaturen ist dafür eine geeignete Methode. 2.2 Gleitversetzungen in der Zinkblendestruktur 2.2.1 Die Zinkblendestruktur Für eine systematische Untersuchung von Gleitversetzungsstrukturen wurde im Rahmen dieser Arbeit die Gruppe der kristallinen III/V- und II/VI-Halbleitermaterialien mit Zinkblendestruktur ausgewählt. Dazu gehören GaAs, CdTe, ZnSe, GaP und InP [haa57, ale79, geo87, lan82], sie sind wichtige Basismaterialien der Halbleiteropto- und -mikroelektronik. a 1 2 3 4 Abb. 2.2 Einheitszelle eines Kristalls mit Zinkblendestruktur. Die Gitterabstände a, b und c sind gleich groß: a=b=c. Alle Achsenwinkel betragen 90° (Raumgruppe F43m, [schr89a]). z x A B y
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