Ulm, Univ., Diss., 2009.

Trois composés de structure Bronze de Tungstène Quadratique ont été étudiés sous forme de couches minces élaborées par ablation laser. Il s'agit de Pb2KNb5O15 (PKN), GdK2Nb5O15 (GKN) et K3Li2Nb5O15 (KLN). Les deux premiers composés correspondent aux compositions extrêmes (x = 0 et x = 1) choisies à partir de la solution solide Pb2(1-x)K(1+x)GdxNb5O15 (PKGN) étudiée au préalable sous forme de céramique au LPMC. Ces composés ont été déposés avec succès sur les trois substrats STO, MgO et GG. La température de dépôt a été établie pour être supérieure ou égale à 700°C, tandis que l'orientation et la qualité cristalline des couches dépendent de la pression partielle d'oxygène, variant de 0,01 à 0,3 mbar. Les propriétés cristallographiques et les relations d'épitaxie ont été analysées au moyen d'un diffractomètre 4-cercles implanté au sein du LPMC. La couche de GKN s'épitaxie (001) sur les deux substrats, MgO et STO, avec des microstructures différentes. La maille GKN est contractée sur les deux substrats et ne présente aucune transition de phase en dessous de 600°C. Elle présente, en dessous de 140°C, une commutation résistive avec une bonne endurance et une rétention moyenne. La couche de PKN est orientée [001] à basse pression et [530] à haute pression, sur le même substrat platiné (STO ou GG) ou sur un substrat MgO non tamponné. La couche de KLN orientée [001] a montré aussi une bonne qualité cristalline sur le substrat MgO. Les couches de GKN et de PKN sont transparentes dans le visible. Celles de GKN et KLN présentent des propriétés ferroélectriques macroscopiques. L'association de GKN et BT en superréseaux n'ont pas permis d'amplifier la réponse ferroélectrique / Three compounds with Tetragonal Tungsten Bronze (TTB) type struc-ture were studied as thin films grown by Pulsed Laser Deposition from pure oxide ceramics. These compounds are Pb2KNb5O15 (PKN), GdK2Nb5O15 (GKN) and K3Li2Nb5O15 (KLN). PKN and GKN correspond to the compositions (x = 0 and x = 1) selected from the solid solution Pb2(1-x)K(1+x)GdxNb5O15 (PKGN), previously studied as ceramics in LPMC. The deposition parameters were optimized to grow oriented thin films. The films were integrated in parallel plate capacitor structures in order to evaluate their electrical properties. GKN film was successfully epitaxially grown on two different substrates, MgO and STO, with different microstructures. GKN unit cell is oriented [001] and is under stress that removed the phase transition and led to resistive switching in GKN films. Promising endurance and retention performances were been demonstrated below 140°C. The obtained films suffer initially from leakage current that was reduced by thermal treatment in oxygen rich atmosphere. Indeed, leakage and resistive switching were found due to oxygen vacancies created during the deposition process. The orientation of PKN thin film was also controlled on Pt coated substrates. [001] ([530]) orientation was achieved using low (high) pressure during the growth process. Crystalline quality of KLN [001] thin film was significantly enhanced using MgO substrate. CV measurements performed on different films, demonstrate the ferroelectric properties in GKN and KLN thin films. However, Coupling GKN and BT in superlattices did not allow enhanced ferroelectric properties. Transparency of GKN and PKN films was demonstrated and their different optical parameters were determined

"none"

Techn. Universiẗat, Diss., 2001--Dresden.

This work is to control the fluxes of the Ga, In and Al sources in our MBE system to grow lattice-matched InGaAs, InAlAs and InGaAlAs epi-layers on InP substrates. With the As overpressure condition in the MBE system, we can control the temperature of Ga K-cell to modulate the flux of Ga. In ideal situation, the flux of Ga has a direct ratio with the GaAs growth rate on GaAs substrate, so we can find the Ga flux dependence on temperature by measuring the RHEED oscillation frequency. From the growth rate data of InGaAs on GaAs substrate at lower In composition, the In flux was obtained by comparing the growth rate ratio to the GaAs case. In the same way, we can also get the flux of Al by the growth of AlAs or AlGaAs on GaAs substrate. With the results of flux experiment, we can modulate the temperature of Ga, In and Al K-cells to compose InGaAs, InAlAs and InGaAlAs lattice-matched on InP substrates. The epi-layer quality was examined by X-ray diffraction and photo-absorption spectrum. We have built the flux equations for the Ga, In and Al sources from the experiment data. With the In K-cell temperature at 833~836¢J, Ga(1) at 931¢J and Al at 1094¢J, we have grown ternary compound semiconductors of In0.532Ga0.468As and In0.523Al0.477As lattice-matched on InP substrates. When the In K-cell temperature at 833~836¢J, Ga(2) at 912¢J and Al at 1059¢J, a quaternary compound semiconductor of In0.527Ga0.245Al0.228As (Eg=1eV) lattice-matched on InP substrate was demonstrated.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2009

This thesis mainly aims at application of principles of engineering technology in the field of molecular beam epitaxy (MBE). MBE is a versatile technique for growing epitaxial thin films of semiconductors and metals by impinging molecular beams of atoms onto a heated substrate under ultra-high vacuum (UHV) conditions. Here, a LabVIEW® (laboratory virtual instrument engineering workbench) software (National Instruments Corp., http://www.ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/usH) program is developed that would form the basis of a real-time control system that would transform MBE into a true-production technology. Growth conditions can be monitored in real-time with the help of reflection high energy electron diffraction (RHEED) technique. The period of one RHEED oscillation corresponds exactly to the growth of one monolayer of atoms of the semiconductor material. The PCI-1409 frame grabber card supplied by National Instruments is used in conjunction with the LabVIEW software to capture the RHEED images and capture the intensity of RHEED oscillations. The intensity values are written to a text file and plotted in the form of a graph. A fast Fourier transform of these oscillations gives the growth rate of the epi-wafer being grown. All the data being captured by the LabVIEW program can be saved to file forming a growth pedigree for future use. Unattended automation can be achieved by designing a control system that monitors the growth in real-time and compares it with the data recorded from the LabVIEW program from the previous growth and adjusts the growth parameters automatically thereby growing accurate device structures.

In dieser Arbeit wurde die Textur- und Mikrostrukturentwicklung von MgO bei der ionenstrahlunterstützten Laserdeposition auf amorphen Substraten untersucht. Das Wachstum der Schichten wurde in-situ mit Hilfe der hochenergetischen Elektronenbeugung verfolgt. Eine Auswertung der Beugungsaufnahmen ermöglicht qualitative und quantitative Aussagen zur Texturausbildung während des Wachstums. Anschließend erfolgte eine Charakterisierung mit Röntgenmethoden, mit dem AFM und dem REM. Zur Untersuchung aktiver Mechanismen wurden ergänzende Experimente an MgO-Einkristallen durchgeführt. Bei der Abscheidung von MgO auf amorphen Substraten ohne Ionenstrahlunterstützung können zwei Temperaturbereiche unterschieden werden. Unterhalb von 250°C entwickelt sich aus einer amorphen Keimschicht eine <110>-Fasertextur. Oberhalb dieser Temperatur wird in der Keimbildung eine <100>-Fasertextur beobachtet. Mit wachsender Schichtdicke führt ein Texturwechsel zu einer <111>-Fasertextur. Als treibende Kraft für diesen Prozeß werden innere Spannungen angesehen. Bei Verwendung eines unterstützenden Ionenstrahls findet eine orientierte Keimbildung statt, bei der biaxiale Texturen in einer Schichtdicke unterhalb von 10 nm ausgebildet werden. Unterhalb von 250°C werden Texturkomponenten mit einer <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl bevorzugt. Oberhalb dieser Schwellentemperatur wurde bei einem Ioneneinfallswinkel zwischen 35° und 55° und Ionenenergien zwischen 400 und 800 eV eine Würfeltextur mit einer <110>-Richtung parallel zum Ionenstrahl auf verschiedenen amorphen und glatten Substraten gefunden. Der optimale Ioneneinfallswinkel liegt bei einem Winkel von 45°, wobei Würfeltexturen mit in-plane Halbwertsbreiten von < 21° erreicht. Ursache für die in-plane Texturierung ist eine anisotrope Sputterrate, die bei Experimenten an MgO-Einkristallen gefunden wurde. Ein Vergleich mit molekulardynamischen Simulationen zeigt, daß entlang der <110>-Richtung ein Channeling möglich ist. Da in diesem Temperaturbereich die <100>-Richtung parallel zur Substratnormalen thermodynamisch bevorzugt ist, werden auf Grund des Channeling Keime mit einer <110>-Richtung parallel zum Ionenstrahl weniger gestört als anders orientierte Körner und dominieren so die Oberflächentextur. Oberhalb einer Schichtdicke von ca. 5 nm wird eine Texturänderung beobachtet, die zu Komponenten mit einer <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl führt und für die die starke Anisotropie der Sputterrate verantwortlich gemacht werden kann. In Experimenten an Einkristallen wurde das Minimum der Sputterrate für eine Ausrichtung der <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl gefunden. Auslöser für die Texturänderung ist der Einbau von Defekten auf Grund der Ionenstrahlunterstützung. Dadurch entstehen Subkörner mit einer breiten out-of-plane Orientierungsverteilung, aus denen über eine sputterbedingte Wachstumsauslese Körner mit einem minimalen Winkel zwischen Ionenstrahl und <100>-Richtung bevorzugt werden. Diese Argumentation wird zusätzlich durch eine beobachtete Zunahme von Korngröße und Rauhigkeit gestützt. Um dickere, würfelorientierte Schichten zu erhalten, muß die Keimschicht epitaktisch weitergewachsen werden. Voruntersuchungen an Einkristallen zeigten, daß mit PLD eine Homoepitaxie ab einer Temperatur von 300°C möglich ist. Allerdings wurde bei der Deposition auf würfelorientierten MgO-Keimschichten ein Texturwandel zu <111>-Fasertexturen beobachtet. Als Ursache kommen Spannungen oder eine schlechter Bedeckungsgrad der würfelorientierten Bereiche in Frage. Die epitaktische Deposition anderer Oxide führte nicht zum Erfolg. Das auf die MgO-Keimschicht direkt deponierte YBCO wies dagegen eine biaxiale Textur mit einer Halbwertsbreite von ca. 40° auf. In Vergleichsexperimenten mit TiN wurde in der Keimbildung ebenfalls eine Würfelorientierung gefunden. Dies weist darauf hin, daß die beobachteten Mechanismen der Texturentwicklung auf andere Substanzen mit NaCl-Struktur verallgemeinert werden können.

In dieser Arbeit wurde die Textur- und Mikrostrukturentwicklung von MgO bei der ionenstrahlunterstützten Laserdeposition auf amorphen Substraten untersucht. Das Wachstum der Schichten wurde in-situ mit Hilfe der hochenergetischen Elektronenbeugung verfolgt. Eine Auswertung der Beugungsaufnahmen ermöglicht qualitative und quantitative Aussagen zur Texturausbildung während des Wachstums. Anschließend erfolgte eine Charakterisierung mit Röntgenmethoden, mit dem AFM und dem REM. Zur Untersuchung aktiver Mechanismen wurden ergänzende Experimente an MgO-Einkristallen durchgeführt. Bei der Abscheidung von MgO auf amorphen Substraten ohne Ionenstrahlunterstützung können zwei Temperaturbereiche unterschieden werden. Unterhalb von 250°C entwickelt sich aus einer amorphen Keimschicht eine <110>-Fasertextur. Oberhalb dieser Temperatur wird in der Keimbildung eine <100>-Fasertextur beobachtet. Mit wachsender Schichtdicke führt ein Texturwechsel zu einer <111>-Fasertextur. Als treibende Kraft für diesen Prozeß werden innere Spannungen angesehen. Bei Verwendung eines unterstützenden Ionenstrahls findet eine orientierte Keimbildung statt, bei der biaxiale Texturen in einer Schichtdicke unterhalb von 10 nm ausgebildet werden. Unterhalb von 250°C werden Texturkomponenten mit einer <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl bevorzugt. Oberhalb dieser Schwellentemperatur wurde bei einem Ioneneinfallswinkel zwischen 35° und 55° und Ionenenergien zwischen 400 und 800 eV eine Würfeltextur mit einer <110>-Richtung parallel zum Ionenstrahl auf verschiedenen amorphen und glatten Substraten gefunden. Der optimale Ioneneinfallswinkel liegt bei einem Winkel von 45°, wobei Würfeltexturen mit in-plane Halbwertsbreiten von < 21° erreicht. Ursache für die in-plane Texturierung ist eine anisotrope Sputterrate, die bei Experimenten an MgO-Einkristallen gefunden wurde. Ein Vergleich mit molekulardynamischen Simulationen zeigt, daß entlang der <110>-Richtung ein Channeling möglich ist. Da in diesem Temperaturbereich die <100>-Richtung parallel zur Substratnormalen thermodynamisch bevorzugt ist, werden auf Grund des Channeling Keime mit einer <110>-Richtung parallel zum Ionenstrahl weniger gestört als anders orientierte Körner und dominieren so die Oberflächentextur. Oberhalb einer Schichtdicke von ca. 5 nm wird eine Texturänderung beobachtet, die zu Komponenten mit einer <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl führt und für die die starke Anisotropie der Sputterrate verantwortlich gemacht werden kann. In Experimenten an Einkristallen wurde das Minimum der Sputterrate für eine Ausrichtung der <100>-Richtung parallel zum Ionenstrahl gefunden. Auslöser für die Texturänderung ist der Einbau von Defekten auf Grund der Ionenstrahlunterstützung. Dadurch entstehen Subkörner mit einer breiten out-of-plane Orientierungsverteilung, aus denen über eine sputterbedingte Wachstumsauslese Körner mit einem minimalen Winkel zwischen Ionenstrahl und <100>-Richtung bevorzugt werden. Diese Argumentation wird zusätzlich durch eine beobachtete Zunahme von Korngröße und Rauhigkeit gestützt. Um dickere, würfelorientierte Schichten zu erhalten, muß die Keimschicht epitaktisch weitergewachsen werden. Voruntersuchungen an Einkristallen zeigten, daß mit PLD eine Homoepitaxie ab einer Temperatur von 300°C möglich ist. Allerdings wurde bei der Deposition auf würfelorientierten MgO-Keimschichten ein Texturwandel zu <111>-Fasertexturen beobachtet. Als Ursache kommen Spannungen oder eine schlechter Bedeckungsgrad der würfelorientierten Bereiche in Frage. Die epitaktische Deposition anderer Oxide führte nicht zum Erfolg. Das auf die MgO-Keimschicht direkt deponierte YBCO wies dagegen eine biaxiale Textur mit einer Halbwertsbreite von ca. 40° auf. In Vergleichsexperimenten mit TiN wurde in der Keimbildung ebenfalls eine Würfelorientierung gefunden. Dies weist darauf hin, daß die beobachteten Mechanismen der Texturentwicklung auf andere Substanzen mit NaCl-Struktur verallgemeinert werden können.

III-nitride semiconductors are of great interest owing to their commercial and military applications due to their optoelectronic and mechanical properties. They have been synthesized successfully by many growth methods. Among them, molecular beam epitaxy (MBE) is a promising epitaxial growth method owing to precise control of growth parameters, which significantly affect the film properties, composition, and thickness. However, the understanding of growth mechanism of III-nitride materials grown in this growth regime is far from being complete.In this dissertation, GaN and AIGaN growth mechanism under metal-rich conditions were investigated. The Ga surface desorption behavior during the growth was investigated systematically using reflection high-energy electron diffraction (RHEED). It was found that desorption of Ga atoms from the (0001) GaN surfaces under different III-V ratios deviates from the zeroth-order kinetics in that the desorption rate is independent of the coverage of adsorbed atoms. The desorption energies of Ga are determined to be 2.76 eV with the Ga coverage closing to 100%, 1.89 eV for a ~45% coverage, and 0.82 eV for a 10% coverage, as monitored by the change of the RHEED specular beam intensity during growth. In addition, the GaN surface morphology under different III-V ratios on porous templates matches the dependence of Ga desorption energy on the metal coverage, and III/V ratio dominates the growth mode. In a related AIGaN growth mechanism study, a competition between A1 and Ga atoms to incorporate into the film was found under metal-rich conditions. Employing this mechanism, A1xGa1-xN layers with precisely controlled A1 mole fraction, x in the range 0xxGa1-xN films was determined to be about 1 eV. The A1xGa1-xN layers grown under metal-rich conditions, as compared to that under N-rich conditions, have a better structural and optical quality. Employing A1xGa1-xN layers grown under metal-rich conditions, a lateral geometry GaN/A1GaN MQW-based photodetector was fabricated. It exhibited a flat and narrow spectral response in the range of 297~352 nm in the backillumination configuration.