Transmission electron microscopic investigations of heteroepitaxial III/V semiconductor thin layer and quantum well structures

The first part of the thesis presents compositional evaluation of ternary quantum well structures grown on GaAs and GaP substrates using the chemical sensitive 002 dark field imaging in Transmission Electron Microscopy (TEM). The composition retrieved by the dark field intensity measurements and the...

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Main Author: Németh Igor
Contributors: Volz, Kerstin (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2008
Physik
Subjects:
TEM
Online Access:PDF Full Text
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Table of Contents: Der erste Teil der Dissertation beschäftigt sich mit der Evaluierung der Zusammensetzung ternärer Quantenwell-Strukturen (QW). Dies erfolgt mit Hilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und zwar unter Verwendung der Dunkelfeldabbildung mittels des chemisch sensitiven 002 Strahls. Die Zusammensetzungen, die mit den Dunkelfeldabbildungen und Strukturfaktorberechnungen bestimmt wurden, wurden mit Zusammensetzungswerten, die aus dynamischen Simulationen von hochauflösenden Röntgenbeugungsmessungen (HRXRD) erhalten wurden, verglichen. In verschiedenen ternären Materialsystemen führen die simulierten Dunkelfeldintensitäten, die auf der Näherung virtuell perfekter Kristalle basieren, zu einer fehlerhaften Abschätzung der Zusammensetzungen. Die Genauigkeit kann mit der Einführung der statischen Verschiebungen (SAD) der ersten Nachbaratome verbessert werden. Die SAD Werte und die Strukturfaktoren verschiedener Zinkblende-Materialien wurden mit der Valence Force Field (VFF) Methode berechnet. Die Genauigkeit der VFF-Methode wurde mit ab initio Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen (DFT) bestätigt. Zur Berechnung der Bindungsverzerrungen des Kristalls wurde auch eine einfache Formel vorgeschlagen. Fremdatome mit kleinen kovalenten Radien in GaAs und GaP, wie Bor oder Stickstoff, verursachen die größten Verschiebungen der Nachbaratome. Bei der Berechnung der Strukturfaktoren werden die atomaren Streufaktoren üblicherweise mit der isolierten Atom-Näherung berechnet. Die verfeinerten Strukturfaktorberechnungen dieser Arbeit berücksichtigen atomare Streufaktoren, die mittels der DFT-Methode berechnet werden. Es gibt allerdings eine unerhebliche Veränderung der korrigierten Streufaktorwerte. Der zweite Teil der Dissertation stellt den Optimierungsprozess des heteroepitaktischen Dünnschichtwachstums von GaP mittels Metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) auf Si-Substraten dar. Das GaP/Si Materialsystem ist aufgrund seiner niedrigen Gitterfehlanpassung ein mögliches Glied im Transfer des Direkthalbleitermaterials Ga(NAsP) auf Si Substrate. Da die Gitterfehlanpassung des GaP/Si Materialsystems niedrig ist, erscheinen Defekte aufgrund der Relaxation des Gitters nicht in dünnen Schichten. Eine Zielsetzung der Dissertation war die Identifizierung, die Beschreibung des Verhaltens und die Unterdrückung der Planardefekte (Antiphasengrenzen (APB), Stapelfehler (SF) und Mikrozwillinge (MT)). Um die kristallinen Schichten abzubilden und strukturelle Information zu erhalten, wurden verschiedene Techniken der TEM benutzt. Die Antiphasendomänen (APD) wurden mit konventionellen Techniken wie Dunkelfeldabbildungen mittels der 002 und 00-2 Strahlen untersucht. Die Simulationen der Strahlintensitäten haben gezeigt, dass die 111-Strahlen für die Abbildung der Antiphasendomänen in dünneren TEM-Probenbereichen auch geeignet sind. Um eindomäniges Material herzustellen, wurden folgende Phänomene ausgenutzt: einerseits die Bildung von Doppelstufen an der Si (001) Oberfläche, anderseits die Selbstannihilation der entstandenen Antiphasendomänen. Die Morphologie der Si (001) Oberfläche wurde mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Die Antiphasenstruktur der GaP Dünnschichten wurde mit der Monostufenstruktur der ausgeheizten Si-Bufferschicht korreliert. TEM Querschnitts- und Aufsichtsuntersuchungen mit kristallphasensensitiven Dunkelfeldabbildungen im Vergleich mit den AFM-Studien haben bestätigt, dass die Monostufen der Si-Oberfläche der Ursprung der APBs sind. TEM Querschnittsuntersuchungen haben gezeigt, dass kleine selbstannihilierende Antiphasendomänen sich auch an der Terrassen der Si-Oberfläche entwickelt haben. Der mögliche Ursprung dieser APBs wurde auch diskutiert. Die APBs, die von Monostufen entstanden sind, durchdringen bei niedriger Wachstumstemperatur (450°C) die ganze Schichtdicke. Bei höherer Wachstumstemperatur (575-675°C) sind diese APBs auf die {111} Kristallebene abgeknickt. Wenn der laterale Abstand der Si-Monostufen mittels optimierter Ausheizbedingungen und optimaler Fehlorientierung der Si-Substrate reduziert wurde, kam es in den unteren 30-50 nm der Schicht zu einer Annihilation dieser APBs. Das Material war im darüberliegenden Bereich der Schicht dann eindomänig. Durch Untersuchungen mittels konvergenter Elektronenbeugung (CBED) wurde die Kristall-polarität bestimmt. Die Stapelfehler entstehen aus lokal begrenzten Bereichen der GaP/Si-Grenzfläche. Es wurden Stapelfehler und Mikrozwillinge an der P-terminierten {111} Ebene gefunden. Die Bildung der Stapelfehler kann mit dem lateralen Wachstum der 3D-nukleierten GaP-Inseln korreliert werden, wenn die Nukleation bei niedriger Temperatur in kontinuierlichem Wachstumsmodus stattfindet. Der genaue Ursprung der breiten Mikrozwillinge konnte nicht eindeutig erklärt werden, jedoch wurden planardefektfreie GaP-Dünnschichten mittels flussratenmodulierter Epitaxie (FME) hergestellt.