High resolution x-ray diffraction (HRXRD) analysis of molecular beam epitaxy (MBE) grown cubic and hexagonal GaN films on MgF2 and MgO
The start of the Hubble Space Telescope in 1990 was a milestone for the observation and research of the universe. Since the Hubble Space Telescope will reach its end of a lifetime in the late 2020s, alternatives have to be developed. A good alternative could be a UV multi-channel-plate (MCP) detector with a solar-blind photocathode. Therefore, GaN is a suitable material. In this thesis, GaN films for two different concepts of the UV MCP detector were grown by molecular beam epitaxy and afterwards analyzed mainly by high resolution x-ray diffraction. The first detector concept was the window detector concept. Therefore, GaN films were grown on MgF2 (1 0 0) and (1 1 0) single crystal substrates under different growth conditions. The film composition depended strongly on the substrate orientation. On MgF2 (1 0 0), GaN films consisted of up to seven orientations of cubic (c-GaN) and hexagonal GaN (h-GaN). This formation of several orientations could be avoided using a low-temperature GaN buffer layer between substrate and main film. The buffer layer led to a formation of a nearly complete h-GaN (0 0 0 1) film. On MgF2 (1 1 0), GaN films were mainly c-GaN {1 0 0} with inclusions of h-GaN (0 0 0 1) and c-GaN {1 1 1} using a growth temperature of 500 °C. The ratio between c-GaN {1 0 0} and h-GaN (0 0 0 1) switched at a growth temperature of 700 °C resulting in a mainly h-GaN film, so both c-GaN and h-GaN films could be grown on MgF2 (1 1 0). The second concept was the open detector concept. GaN films were grown on MgO {1 0 0} and {1 1 0} single crystal substrates. The GaN films were mainly or completely cubic under nearly all growth conditions due to the cubic structure of MgO and the suitable lattice mismatch of 7.2 %. These films were all fully-relaxed leading to a formation of dislocations and h-GaN (1 0 -1 1) on MgO {1 0 0}. Inclusions of h-GaN could be suppressed on MgO {1 1 0} using growth temperatures of 500 °C and 600 °C. At 700 °C, inclusions of h-GaN (1 0 -1 3) were found increasing with a decreased Ga/N ratio. The lattice constants and FWHM of c-GaN were determined and were in good agreement with values on other substrate materials. All in all, the crystal structure of GaN was mainly influenced by the substrate and its orientation, while an influence of the growth temperature was also found. The lowest influence had the Ga/N ratio. The results were a good basis for the realization of both detector concepts and showed further the high potential of MgO as a substrate material for c-GaN films.
Im Rahmen der Dissertation wurde das Wachstum von Galliumnitrid (GaN) Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf jeweils zwei verschiedenen Orientierungen von MgF2 und MgO Einkristallsubstraten untersucht, um Wachstumsbedingungen für zwei unterschiedliche Detektorkonzepte zu evaluieren. Die Dünnschichten wurden danach hauptsächlich mit verschiedenen Methoden der hochauflösenden Röntgendiffraktion (HRXRD), wie z.B. reziproken Gitterkarten und 20- w-scans, analysiert und durch einige externe Transmissionselektronenmikroskopie Messungen ergänzt und validiert. Die wichtigsten Ergebnisse auf MgF2 wiesen große Unterschiede zwischen den beiden untersuchten Substratorientierungen auf. GaN Schichten auf MgF2 (1 0 0) bestehen aus bis zu sieben verschiedenen Orientierungen von kubischem (c-GaN) und hexagonalem GaN (h-GaN). Dies konnte durch eine dünne GaN Zwischenschicht, die bei einer niedrigen Temperatur zunächst auf das Substrat gewachsen wurde, vermieden werden, so dass die Hauptschicht fast ausschließlich aus h-GaN (0 0 0 1) bestand. Auf MgF2 (1 1 0) wurden bei einer Temperatur von 500° C überwiegend c-GaN (1 0 0) Schichten mit Einschlüssen von h-GaN (0 0 0 1) gewachsen. Eine Erhöhung der Wachstumstemperatur drehte das Verhältnis aus c-GaN und h-GaN um, so dass sich sowohl c-GaN als auch h-GaN Schichten auf MgF2 (1 1 0) wachsen ließen. Auf dem zweiten untersuchten Substratmaterial, MgO {1 0 0} und {1 1 0}, wurde bei nahezu allen untersuchten Wachstumsbedingungen kubische GaN Schichten aufgrund der kubischen Kristallstruktur von MgO und einer ausreichend kleinen Gitterfehlanpassung von 7.2 % gewachsen. Die Schichten waren alle voll relaxiert, wodurch es aufgrund der Gitterfehlanpassung zur Ausbildung von Versetzungen kam. Diese führten zu einer Bildung von h-GaN (1 0 -1 1) auf MgO {1 0 0}. h-GaN Einschlüsse ließen sich auf MgO {1 1 0} für Wachstumstemperaturen von 500 °C und 600 °C komplett vermeiden. Die Gitterkonstanten und Halbwertsbreiten wurden bestimmt und waren im Bereich der GaN Gitterkonstanten auf anderen Substratmaterialien. Insgesamt konnte festgestellt werden, dass das Substrat durch seine Gitterstruktur und Orientierung den größten Einfluss auf die Kristallstruktur von GaN besitzt. Die Wachstumstemperatur hat den nächst höheren Einfluss, wohingegen das Ga/N Verhältnis den niedrigsten Einfluss in dieser Dissertation hatte. Die Ergebnisse stellen eine gute Basis für eine weitere Realisierung der beiden untersuchten Detektorkonzepte dar. Darüber hinaus zeigte sich das große Potenzial von MgO als Substratmaterial für das Wachstum von c-GaN Schichten.
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