Winkelkorrelationsuntersuchungen an Seltenen Erden in Halbleitern mit großer Bandlücke

Abstract

Die Optoelektronik ist heute in vielen elektronischen Anwendungsgebieten nicht mehr wegzudenken. Ihr Einsatzgebiet erstreckt sich von der normalen Haushaltsbeleuchtung, über die Beleuchtung von Displays mit stromsparenden Leuchtdioden (engl. <i>Light Emitting Diode</i>, kurz LED) bis zu den Speichermedien mit Laserdioden. Der Druck nach Materialien zu suchen, die Halbleitereigenschaften aufweisen, die stabil sind und durch Dotierung eine hohe Leuchtstärke in möglichst verschiedenen Farbtönen haben, lässt nicht nach. <br /> Geeignete Materialien sind beispielsweise die III-V-Nitrid-Halbleiter Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumnitrid (AlN). Ihre große, direkte Bandlücke macht sie nicht nur für optoelektronische Bauteile interessant, sondern, durch ihre gegenüber Silizium höhere Arbeitstemperatur und Frequenz, auch für Anwendungen in der Hochtemperatur-, Hochleistungselektronik und Mikrowellentechnik. Weiterhin werden solche Halbleiter in der Umwelt für Ultraviolett-Detektionssysteme eingesetzt. <br /> Leuchtdioden, die auf GaN-Basis hergestellt werden, strahlen wegen der Bandlücke von 3,4 eV im ultravioletten Bereich. Durch Dotierung mit Lanthanoiden (Seltene Erden) wird Elektrolumineszenz auch bei Raumtemperatur beobachtet. Die Wellenlänge der Lumineszenz ist dabei nur von der Seltenen Erde abhängig. <br /> Bisher auf dem Markt verfügbare Produkte werden durch Schichtwachstumsverfahren als dünne Schichten auf Substraten aufgewachsen, die Dotierung erfolgt während des epitaktischen Wachstums. Hier kann man Schicht für Schicht eine vertikale Auflösung erreichen. Eine lateral strukturiertere Dotierung kann durch die bewährte Methode der Ionenimplantation erzielt werden. Hier kann insbesondere dasselbe Bauteil mit verschiedenen Seltenen Erden dotiert werden, um verschiedene Farben zu verwirklichen. Bei einer solchen Implantation werden lokal erhebliche Gitterschäden verursacht, die durch eine thermische Behandlung weitgehend beseitigt werden müssen. <br /> Die Methode der gestörten Winkelkorrelation ist gut geeignet, um das Verhalten von Seltenen Erden nach der Implantation zu erforschen. Das Prinzip dieser Messmethode besteht darin, eine radioaktive Sonde in das zu untersuchende Wirtsmaterial zu implantieren. Die Sonde erfährt eine elektrische Quadrupolwechselwirkung, die von einem elektrischen Feldgradienten am Sonden-Kernort hervorgerufen wird. Hierbei kann die Größe des elektrischen Feldgradienten gemessen werden. Es ist also möglich Informationen über die nächste Umgebung der Sonde zu erringen. Unser Interesse besteht darin, die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Feldgradienten zu untersuchen. Seltene Erden, die sich für eine solche Untersuchung eignen, sind ¹⁷²Lu(¹⁷²Yb) und ¹⁴⁰La(¹⁴⁰Ce). <br /> Ein Ziel dieser Arbeit war, die Produktion und die Implantation der PAC-Sonde ¹⁷²Lu(¹⁷²Yb), die bisher an der ISOLDE-Einrichtung am CERN stattgefunden hatte, an den Messort nach Bonn zu verlagern. Hier ist die Sonde durch Bestrahlung mit a-Teilchen einer Thulium-Folie (Kernreaktion: ¹⁶⁹Tm(a,,n)¹⁷²Lu) erfolgreich am Bonner Zyklotron hergestellt worden. Die Implantation in GaN am Bonner Isotopenseparator hat zu brauchbaren Proben geführt. Allerdings bedarf diese Methode noch der Verbesserung, denn die Aktivität der implantierten Proben reichte meist nur für eine einzige Messung, obwohl ein Messprogramm mit derselben Probe wünschenswert gewesen wäre. <br /> Das Verhalten des elektrischen Feldgradienten von ¹⁷²Lu(¹⁷²Yb) in GaN wurde bis zu 4 K untersucht. Hier wurde eine starke Temperaturabhängigkeit des elektrischen Feldgradienten gemssen. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von GaN sehr klein sind, ändern sich die Gitterparameter und damit der vom Gitter verursachte elektrische Feldgradient kaum. Daher war dieses anomale Verhalten völlig unerwartet und konnte mit einem zusätzlichen Beitrag zum Gesamtfeldgradienten von der 4f-Schale erklärt werden. In kristallinen Gittern nimmt Ytterbium bevorzugt die Wertigkeit 3+ ein. Im 3+ Zustand besitzt ¹⁷²Yb ein Loch in der <i>4f</i>-Schale und produziert dadurch einen zusätzlichen EFG, der vom Quadrupolmoment der <i>4f</i>-Schale abhängt. <br /> Ein theoretisches Modell wurde zur Hilfe gezogen, um das Verhalten zu beschreiben. Ausgegangen wird von zwei Beiträgen zum gesamten elektrischen Feldgradienten. Zum einen ein weitgehend konstanter Beitrag, der vom Wurtzitgitter des Galliumnitrids hervorgerufen wird, der sogenannte Gitterfeldgradient, und zum anderen ein stark temperaturabhängiger Anteil von der <i>4f</i>-Schale der Lanthanoid-Sonde. <br /> Dieses Modell liefert etwas unterschiedliche Werte, in Abhängigkeit davon ob bei Raumtemperatur ein positiver oder ein negativer Gitterfeldgradient angenommen wird. Ein Vergleich der experimentellen Daten mit den theoretisch berechneten Werten begünstigt die Annahme eines positiven Gitterfeldgradienten. Hier ist der energetische Abstand des untersten Zustand, den das Loch der <i>4f</i>-Schale bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt einnimmt, zum nächst-höheren Zustand kleiner als im Falle eines negativen Gitterfeldgradienten. Dies bewirkt einen früheren Anstieg des gemessenen elektrischen Feldgradienten schon bei tieferen Temperaturen. <br /> Ein solches Verhalten konnte auch für die Sonde ¹⁴⁰La(¹⁴⁰Ce) nachvollzogen werden. Diese nimmt in GaN die Wertigkeit 3+ an und besitzt somit ein Elektron in der <i>4f</i>-Schale. ¹⁴⁰Ce³⁺ stellt damit den umgekehrten Fall zu ¹⁷²Yb³⁺ dar. Die <i>4f</i>-Schale von ¹⁴⁰Ce hat einen schwächeren Einfluss als die von ¹⁷²Yb, weil die Aufspaltung der Kramers-Dubletts durch den Gitterfeldgradienten kleinere Erwartungswerte hat. <br /> Untersuchungen mit der Sonde ¹⁷²Lu(¹⁷²Yb) in AlN sollten ähnliche Ergebnisse, wie für GaN, ergeben. Leider konnten hier nur wenige Proben hergestellt werden. Die Aktivität war dabei so gering, dass nur drei Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden konnten. Die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Feldgradienten zeigt einen ähnlichen Verlauf wie bei GaN, so dass hier ein ähnliches Verhalten wahrscheinlich ist.