GaN Nanowires on Diamond

Gegenstand dieser Arbeit ist das Wachstum von GaN-Nanodrähten auf Diamant- oberflächen für zwei unterschiedliche Zielsetzungen: (i) der Herstellung von Quanten- speichern für zukünftige Quantencomputer und (ii) der Herstellung von optoelektro- nischen Bauelementen im ultravioletten Spektralbereich. Für Ersteres eignen sich insbesondere Punktdefekte im Diamantgitter, sogenannte NV-Zentren, bestehend aus einem Stickstoffatom mit angrenzender Leerstelle. Diese NV-Zentren können aber nur im elektrisch negativen Ladungszustand als Quantenbits verwendet werden. Eine gezielte Kontrolle dieses Ladungszustandes soll durch lokale p-n Nanodioden, bestehend aus n-GaN-Nanodrähten auf p-Diamant, realisiert werden. Dieselben p-n Nanodioden könnten ebenfalls als UV Leuchtdioden von Interesse sein.
Das Wachstum von GaN-Nanodrähten auf Diamant wird zunächst mittels eines spontanen Wachstumsmechanismus untersucht, der bereits von anderen Substraten wie Silizium bekannt ist und durch stickstoffreiche Bedingungen ohne zusätzlichen Katalysator eingeleitet werden kann. Die Einflüsse von Wachstumsparametern, Orien- tierung und Terminierung der Diamantoberfläche werden diskutiert. Eine strukturelle Analyse enthüllt eine defektfreie Diamant/GaN Grenzfläche sowie eine perfekte Wurt- zitstruktur der GaN-Nanodrähte mit N-polarer Wachstumsrichtung und unpolaren Seitenfacetten. Durch optische Experimente kann eine effiziente Verspannungsre- laxation in axialer Richtung nachgewiesen werden. Bei optischer Anregung über einem bestimmten Grenzwert wird verstärkte spontane Emission beobachtet, was auf die hohe strukturelle Qualität und das Verhalten der Nanodrähte als intrinsische Wellenleiter aufgrund des hohen Brechungsindexes von GaN zurückzuführen ist.
Um die Position sowie Länge und Durchmesser der GaN-Nanodrähte kontrollieren zu können, wurde das Wachstum mit Hilfe einer nanostrukturierten, selektiven Maske entwickelt. Mit Titan als Maskenmaterial können homogene Felder mit periodischen Nanodrähten hergestellt werden, während das Wachstum auf der Maske komplett unterdrückt wird. Hier wird ebenfalls eine defektfreie Diamant/GaN Grenzfläche erreicht, allerdings wachsen die Nanodrähte in Ga-polarer Orientierung. Durch das sehr enge Anordnen von Nanodrähten wird das Wachstumsregime von Stickstoff- in die Galliumbegrenzung verschoben, wo einzelne Nanodrähte um Galliumatome konkurrieren. Hierbei wird ein kontinuierlicher Übergang von Nanodraht- zu Nanoröhrenwachstum beobachtet, was durch den erhöhten Oberflächenanteil für Anwendungen in der Sensorik oder der Katalyse von Vorteil sein könnte.
Um die elektrische Leitfähigkeit der GaN-Nanodrähte einzustellen, wird die Dotierung mittels Silizium (n-Typ) und Magnesium (p-Typ) untersucht. Mit [Si] ≤ 9 · 1020cm−3 und [Mg] ≤ 1 · 1020cm−3 können extrem hohe Dotierkonzentrationen erreicht werden, die jedoch keine homogene Verteilung aufweisen. Während die Siliziumkonzentration im Inneren der Nanodrähte auf [Si] = 6 · 1019cm−3 begrenzt ist, segregiert das über- schüssige Silizium an die Nanodrahtoberfläche und bildet eine hochdotierte Hülle. Die Ionisationsenergien von Si und Mg werden optisch bestimmt und der Effekt der Oberfläche auf die Ladungsträgerverteilung mittels Simulationen diskutiert.
Die bipolare Dotierung ermöglicht das Wachstum von p-n und p-i-n GaN-Dioden, eingebettet in einzelnen Nanodrähten. Die Strom-Spannungs-Charakteristik zeigt gleichrichtendes Verhalten mit Durchbruchspannungen über 3.6 · 108 V/m, erhöht gegenüber planaren Dioden durch die Abwesenheit von strukturellen Defekten. Für die Herstellung von Bauelementen wurde ein Prozess zur Top-Kontaktierung von Nanodraht-Ensembles erfolgreich erprobt und angewendet.
Die angestrebten p-Diamant/n-GaN Nanodioden wurden schließlich in verschiedenen Dotierkonfigurationen realisiert und elektrisch vermessen. Ein Prototyp-Bauelement mit niedriger Dotierung zeigt gutes gleichrichtendes Verhalten sowie elektrisch induzierte Lumineszenz in zwei Spektralbereichen: (i) grüne Lumineszenz bei 2.3 eV durch die Injektion von Elektronen von GaN in Diamant und (ii) UV-Lumineszenz bei 3.37 eV durch die Injektion von Löchern von Diamant in die GaN-Nanodrähte. Die Stabilität der Emission kann durch gepulste Injektion verbessert werden, was ein dynamisches Wechseln der Strompfade zwischen einzelnen Nanodrähten vermindert. Ein weiterer Ansatz für optoelektronische Bauelemente sind p-GaN/n-ZnO Nano- drähte, die von der hohen Exzitonenbindungsenergie in ZnO profitieren und effizient bei erhöhten Temperaturen betrieben werden könnten. Simulationen der Bandstruktur zeigen einen starken Einfluss der Polaritäten der beiden Wurtzitkristalle. Die hergestellten Nanodrähte bestehen aus N-polarem GaN und Zn-polarem ZnO, was eine Elektronenakkumulation an der Grenzfläche mit sich bringt. Die niedrigen Anregungsleistungen für optische Verstärkung bestätigen den Vorteil von Nanodraht-basierten LEDs und Laserdioden im Vergleich zu gängigen planaren Schichtstrukturen durch ihre geringe Defektdichte und ihr Verhalten als intrinsische Wellenleiter.