Molecular beam epitaxy of gallium antimonide

Abstract

The process of growing single crystal semiconductor structures using molecular beam epitaxy (MBE) has been developing rapidly since the frst MBE systems were developed in the late 1960s. These were high vacuum systems where molecule fuxes were used to create crystals with well-defined orientations. It has since enabled the research and production of a wide arrangement of semiconductor devices, such as lasers, photodiodes, transistors, LEDs and solar cells. The goal of this thesis is to understand the process of growing gallium antimonide (GaSb) by MBE on multiple levels. There are three main parts in the process that need a theoretical investigation. Firstly, the physical properties of GaSb are explored to understand what makes GaSb a semiconductor and to lay out groundwork for other processes. Secondly, the physical principles of MBE are studied to understand the different processes that enable single crystal epitaxial growth. And finally x-ray diffraction (XRD) is studied, as it is one of the most powerful techniques for characterizing MBE grown samples. The theoretical part is applied by growth and analysis of a GaSb sample structure using equipment at the Optoelectronics Research Center in Tampere university. The processes involved in using the equipment are explored. The sample grown is used to determine growth parameters for the MBE system. More specifcally, in this thesis a sample consisting of a top layer of GaSb and a buffer layer of AlGaSb is grown. The sample is then analysed with high resolution XRD and an algorithmic ftting tool to determine the thicknesses of these layers. With these thicknesses and the known layer growth times new growth rates were determined for these compounds in the MBE system.

Puolijohde-erilliskiteiden kasvatus molekyylisuihkuepitaksia-menetelmällä kehitettiin 1960-luvun lopussa, ja kehitys on ollut nopeaa siitä lähtien. Tämä menetelmä hyödynsi korkeatyhjiöjärjestelmiä, joissa molekyylivoita käytettiin kristallien kasvatukseen siten että kasvatettujen kristallien orientaatiot olivat selkeästi määriteltyjä. Tämä mahdollisti puolijohdelaitteiden, kuten laserien, fotodiodien, transistorien, ledien ja aurinkokennojen valmistuksen ja tutkimisen. Tämän työn tavoitteena on ymmärtää usealla tasolla galliumantimonidin (GaSb) kasvatusprosessi molekyylisuihkuepitaksia-menetelmällä. Työ koostuu kolmesta teoreettisesta osa-alueesta. Ensimmäisenä työssä tutustutaan GaSb:n fyysisiin ominaisuuksiin, jotta voidaan ymmärtää mikä tekee GaSb:sta puolijohteen sekä luodaan perusta muille prosesseille. Yksi tärkeimpiä fyysisiä ominaisuuksia tässä tapauksessa on puolijohteen energia-aukko, joka on GaSb:lle noin 0,73 eV. Tämän jälkeen tutustutaan molekyylisuihkuepitaksian fyysisiin toimintaperiaatteisiin, jotta voidaan ymmärtää eri prosessit, jotka mahdollistavat puolijohde-erilliskiteiden epitaksian. Viimeisenä tutkitaan röntgendiffraktiota, koska tämä on yksi monipuolisimmista tavoista karakterisoida molekyylisuihkuepitaksialla kasvatettuja näytteitä. Teoreettista osaa sovelletaan kasvattamalla GaSb-näyte ja tutkimalla sen rakennetta käyttäen Optoelektroniikan tutkimuslaitoksen laitteistoa Tampereen yliopistossa. Kasvatettua näytettä käytetään molekyylisuihkuepitaksia-järjestelmän kasvatusparametrien määrittämiseen. Tarkemmin sanottuna, tässä työssä kasvatetaan näyte, joka koostuu GaSb-pintakerroksesta sekä AlGaSb-merkkikerroksesta. Pintakerroksen ja merkkikerroksen paksuuksiksi tavoiteltiin vastaavasti 500nm ja 100 nm. Kasvatuksen jälkeen näyte analysoidaan korkean resoluution röntgendiffraktiolla, jonka tuloksiin sovelletaan algoritmista sovitustyökalua. Tämän työkalun avulla saadaan selvitettyä kasvatettujen materiaalien kerrospaksuudet. Sovitustyökalulla määritettiin pintakerrokselle ja merkkikerrokselle paksuuksiksi vastaavasti 459,853nm ja 100,083 nm. Näiden paksuuksien sekä tiedettyjen kasvatusaikojen perusteella pystyttiin määrittämään uudet kasvatusnopeudet kasvatetuille yhdisteille, jotka olivat vastaavasti GaSb-yhdisteelle 0,5094 μm/h ja AlGaSb-yhdisteelle 0,7331 μm/h.