Silicon ppn:309915724 Fachbereich Physik doctoralThesis Physics Physik Physik 2012-10-05 German Galliumphosphid ths Prof. Dr. Volz Kerstin Volz, Kerstin (Prof. Dr.) https://doi.org/10.17192/z2012.0905 Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg Universitätsbibliothek Marburg Beyer, Andreas Beyer Andreas opus:4382 2012 Durchstrahlungselektronenmikroskopie application/pdf Epitaxie In dieser Arbeit wurden GaP/Si-Heterostrukturen, die mittels MOVPE gewachsen wurden, mit Hilfe verschiedener TEM-Methoden untersucht. Die HAADF-Technik hat sich als geeignete Methode zur Untersuchung der Grenzfläche und Auftreten der APDs auf atomarer Skala erwiesen. Trotz der oft gelobten intuitiveren Interpretation gegenüber konventionellen TEM-Messungen, zeigen sich Effekte, die über den Z-Kontrast hinausgehen, was eine geeignete Simulationen unabdingbar macht. Es wurde gezeigt, dass die AP-Approximation für TEM-Probendicken unterhalb von 50 nm um weniger als 5% von der rechenintensiveren FP-Approximation abweicht. Werden statt der absoluten Intensität Intensitätsverhältnisse betrachtet, kann die AP-Rechnung über einen noch größeren Bereich von Probendicken angewendet werden. In Simulationen zeigt sich, dass die Intensitätsverhältnisse von Si:Ga und P:Ga ein Maß für die Dicke einer TEM-Probe sind. Das ermöglicht die direkte Bestimmung der Dicke aus einer experimentellen HAADF-Aufnahme. Über weitere Simulationen bei fester Dicke wurde der Einfluss chemischer Durchmischung auf das HAADF-Signal sowie der optimale Detektorbereich bestimmt. Bei Si-Puffern auf exaktem Si-Substrat zeigt sich, entgegen der theoretischen Rechnung, die klare Dominanz der Typ-A-Oberflächenrekonstruktion, bei der die Dimere senkrecht zu den Stufenkanten orientiert sind. Das liegt in den H2-reichen Wachstumsbedingungen begründet, die sich deutlich von den UHV-Bedingungen unterscheiden, die für die Berechnung der Oberflächenenergie angenommen wurden. Die GaP-Schichten, die auf diesen Substraten abgeschieden wurden, sind stets P-polar bei Betrachtung entlang der Stufen. Wird diese Polarität hinunter bis zur Grenzfläche projiziert, so ist diese von Ga-Si-Bindungen dominiert. Das liegt darin begründet, dass der P-Prekursor bei niedrigen Wachstumstemperaturen nicht vollständig zerlegt ist und die Si-Oberfläche durch das vorherige Pufferwachstum durch Wasserstoff passiviert ist. Nur in Anwesenheit des Ga-Prekursors wird auch der P-Prekursor katalytisch zerlegt. Durch veränderte Wachstumsbedingungen, bei denen ein Puls des P-Prekursor bei hoher Temperatur angeboten wird, kann die Bildung von P-Si-Bindungen erzwungen werden und die Polarität des GaP-Kristalls auf großer Skala umgekehrt werden. Das hat eine Verringerung der APD-Größe zur Folge wobei ihre Dichte zunimmt. Auf atomarer Skala zeigt sich, dass an der Grenzfläche Durchmischungsprozesse zwischen GaP und Si auftreten. Diese konnten quantitativ mittels HAADF-Messungen ausgewertet werden. In dünnen Proben kann die Durchmischung parallel zur Grenzfläche direkt beobachtet werden. Für die betrachteten Proben zeigt sich im Rahmen der experimentellen Genauigkeit das gleiche Durchmischungsverhalten. In jeweils drei Ga- und drei P-Säulen sind signifikante Mengen von Si enthalten. Das deckt sich sehr gut mit den Ergebnissen aus DFT-Rechnungen, denen zufolge sieben Lagen Durchmischung an der Grenzfläche energetisch günstig sind. Das legt nahe, dass es sich um die minimale intrinsische Rauigkeit der GaP/Si-Grenzfläche handelt. Höhere Wachstumstemperaturen, wie sie bei der Abscheidung von Si auf GaP Verwendung finden, führen zu einem deutlich größeren Durchmischungsbereich. Die APDs, die in GaP-Schichten auf exaktem Si-Substrat beobachtet wurden, zeigen eine anisotrope Form bei Betrachtung aus der [110]- und [-110]-Richtung. Makroskopisch verlaufen die abknickenden APBs in [110]-Betrachtungsrichtung auf {112} und {111}-Ebenen, wohingegen sie in der [-110]-Richtung auf {110}-Ebenen gerade durch die Schicht verlaufen. Dies könnte wiederum auf die unterschiedlichen Wachstumsraten des GaP entlang dieser Richtungen zurückzuführen sein. Bei geeigneten experimentellen Parametern können die APDs mittels STEM detektiert werden, obwohl sie keinen konventionellen Z-Kontrast zeigen sollten. Experimente und Simulationen für verschiedene Kameralängen zwischen Probe und Dunkelfelddetektor legen nahe, dass der zusätzliche Kontrast der APDs auf Huang-Streuung zurückzuführen ist, i.e. eine Erhöhung der thermisch diffusen Streuung in kleine Winkel. Diese kommt dadurch zustande, dass die Periodizität des Kristalls an der APB gestört ist. In großen Streuwinkeln ist der Einfluss dieses Effekts gering und die chemische Analyse möglich Die gefundenen APBs erscheinen aufgrund der komplexen dreidimensionalen APD-Form meist breiter als vom einfachen Kristallmodell zu erwarten wäre. Querschnitts-Aufnahmen zeigen, dass APBs Sprünge vollziehen können und nicht auf eine feste Kristallebene fixiert sind. An Stellen, an denen die APBs minimale Breite aufweisen, konnten Ga-Ga-und P-P-Bindungen nachgewiesen werden. In hoher Auflösung wird sichtbar, dass die abknickenden APBs facettiert sind. Dadurch könnten sie, entgegen dem Kristallmodell für APBs auf {112}-Ebenen, nicht ladungsneutral sein, sondern einen Überschuss an P-P-Bindungen beinhalten. monograph Hochaufgelöste transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen an Galliumphosphid auf Silizium 2012-10-05 High-resolution transmissionelectronmicroscopic studies on gallium phosphide on silicon Philipps-Universität Marburg Galliumphosphide https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2012/0905/cover.png Scanning transmission electron microscopy 2012-06-27 urn:nbn:de:hebis:04-z2012-09054 Silicium Nichtlineare optische Spektroskopie an der Galliumphosphid-Silizium(001)-Grenzfläche In this work GaP/Si-heterostructures, which were grown by MOVPE, were studied utilizing different TEM techniques. With the high-resolution HAADF technique one is capable of investigating interfaces as well as possible APDs on an atomic scale. Despite the commonly praised more intuitive interpretation in comparison to conventional TEM-measurements, effects beyond pure Z-contrast are observable, making an adequate simulation indispensable. It was shown that the AP-approximation deviates by less than 5% from the more time consuming FP-approximation for TEM-sample thicknesses below 50 nm. If relative intensities are evaluated instead of absolute ones, the AP-approximation is valid for an even wider range of thicknesses. The simulations show that the intensity-ratio of Si:Ga or P:Ga, respectively, is a good measure of the thickness of a sample. This facilitates the direct determination of the local thickness from experimental HAADF images. The influence of chemical intermixing on the HAADF intensity and the optimum detector size was determined by additional simulations at a fixed sample thickness. The Si-buffers grown on exactly oriented Si-substrates show, unlike theoretical predic-tions, a clear predominance of the A-type surface reconstruction, in which the dimers are oriented perpendicular to the step edges. This is caused by the H2-rich growth conditions, which significantly differ from the UHV conditions that were assumed to calculate the surface energies. The GaP-layers grown on these substrates always exhibit P-polarity viewed along the step edges. If this polarity is projected down to the interface, it is dominated by Ga-Si bonds. This is caused by the fact that the P-precursor (TBP) is not fully decomposed at the low growth temperatures and the Si-surface is passivated by hydrogen due to the prior buffer growth. Only in the presence of the Ga-precursor, the P-precursor is decomposed catalytically. By adjusted growth conditions, which provide a pulse of the P-precursor at a higher temperature, the formation of P-Si bonds can be enforced and the polarity of the GaP-crystal can be reversed on a large scale. This results in a reduction of the APD size, while their density increases. In contrast to that, the GaP-layers on 2°-misoriented Si-subsrates show Ga-polarity viewed along the step edges, which cannot be reversed by the application of TBP at high temperatures. This can be explained by the fact that the Si-buffer is, contrary to expectations, mostly covered by single atomic steps, therefore the width of the terraces is only about 4 nm. Because of the faster growth rate of the Ga-polar GaP that was found along the [110]-direction, it always prevails. On an atomic scale intermixing of GaP and Si is present at the interface. This was quantified via HAADF-measurements. In thin TEM-samples the intermixing along the interface is directly observable. With respect to the experimental accuracy the investigated samples show the same intermixing behavior. A significant amount of Si can be found in three Ga- and three P-layers. This is in very good agreement with the results from DFT-calculations, which show seven monolayers of intermixing to be energetically favorable. This indicates that it might be the intrinsic interface roughness of the GaP/Si material system. Significant higher growth temperatures, which are used during the growth of Si on GaP, lead to a larger region of intermixing at the interface. The APDs that were observed in GaP-layers on exact substrate show an anisotropic shape viewed along [110] or [-110], respectively. Viewed along [110], the kinking APBs macroscopically lie on {112}- and {111}-planes, while they run on {110}-planes through the whole layer viewed along [-110]. This could again be caused by the different growth rates along these directions. At appropriate experimental conditions the APDs can be detected via STEM, although they should not express conventional Z-contrast. Experiments and simulations for different cameralengths between sample and detector show that the additional contrast of the APDs is due to Huang-scattering, i.e. an increase of thermal diffuse scattering into low angles. This is caused by the fact that the periodicity of the crystal is deteriorated at the APB. In high scattering angles the influence of this effect is small and the chemical analysis is possible. Because of the complex three-dimensional shape of the APDs, the found APBs appear broader than expected from the simple crystal model. Cross-sectional measurements show that the APBs are not fixed to a specific crystal plane but can jump. At positions where the APBs exhibit minimum width, Ga-Ga- and P-P-bonds could be detected. In high resolution images it becomes obvious that the kinking APBs are facetted. Because of this, they can be negatively charged, contrary to the crystal model of the {112}-APD, due to a majority of P-P-bonds. Epitaxy