Quantitative Untersuchungen der Zusammensetzung von kubischen III/V-Verbindungshalbleitern mittels HAADF-STEM
Fritz, Rafael
In der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) erlaubt insbesondere die Detektion von jenen Elektronen, die aus dem konvergenten Elektronenstrahl durch die Probe in große Winkelbereiche gestreut wurden, eine vergleichsweise intuitive Interpretation der experimentellen Intensität. Dies wird möglich durch die Verwendung eines geeigneten ringförmigen Dunkelfeld-Detektors, der die kleineren Winkelbereiche vernachlässigt. Während dort die Streuung kristalliner Proben hauptsächlich kohärent ist wird stattdessen im Bereich großer Streuwinkel die Streuung von Elektronen an Atomkernen detektiert (HAADF-Detektor). Die Methode hat sich unter der Bezeichnung Z-Kontrast etabliert, da die Intensität von Atomen und Atomsäulen in hochaufgelösten Aufnahmen in erster Näherung abhängig von der Kernladungszahl Z ist.
Eine quantitative Auswertung des Kontrasts in HAADF-Aufnahmen basiert in der Regel auf einem Vergleich mit Ergebnissen aus Simulationen, die die genaue Kenntnis der experimentellen Parameter erfordern. Wie in dem für diese Arbeit verwendeten unkorrigierten JEM2200FS Mikroskop zählen dazu in erster Linie der Strahlkonvergenzwinkel und der aktive Winkelbereich des verwendeten Detektors.
Ermöglicht wird damit eine großflächige und gleichzeitig dennoch punktgenaue Bestimmung von Probendicke und Zusammensetzung. Erforderlich ist dafür aber die Kenntnis aller Faktoren, die zur gemessenen Intensität beitragen, wie die Konversionseffizienz des Detektor-Szintillators in Form einer Sensitivitätskurve zur Gewichtung der simulierten Streuintensitäten.
Für beide Detektoren des unkorrigierten JEM2200FS, den oberen mit homogenem YAG:Ce und den unteren mit inhomogenem P-Szintillator, konnten erfolgreich Detektorscans angefertigt und die zugehörigen Winkelbereiche und Sensitivitätskurven bestimmt werden.
Die integrierte Intensität des binären GaAs- oder GaP-Materials dient zur zuverlässigen Bestimmung der Probendicke in den HAADF-Aufnahmen und ist daher möglichst genau zu ermitteln. Signifikant beeinflusst wird sie durch die Genauigkeit der bestimmten Werte für Innen- und Außenwinkel der Detektoren. Ebenso relevant ist die Gewichtung der Intensität durch die Sensitivitätskurve des jeweiligen Detektors. Sowohl eine leichte Elliptizität als auch eine Inhomogenität des jeweiligen Szintillators führen zu deutlichen Unterschieden in der integrierten Intensität.
In sämtlichen simulierten Materialsystemen, jeweils drei auf Basis von GaAs und GaP, wurde in Kapitel 5 der Einfluss statischer Atomverschiebungen (SDs) untersucht, die beim Einbau einer atomaren Spezies unterschiedlicher Größe im Kristallgitter entstehen. Diese Unordnung kann durch aktualisierte Atompositionen in den Simulationen berücksichtigt werden und davon verursacht entsteht einerseits diffuse Huang-Streuung und es kommt andererseits zum Dechannelling, zwei Prozesse also, die unterschiedlich wirken in verschiedenen Bereichen von Streuwinkel und Probendicken.
So ist der Einfluss der SDs auf die Streuung und den Kontrast in Ga(AsxP1−x) erwartungsgemäß gering, in Ga(BixAs1−x) aber bereits so deutlich, dass sich der zu erwartende ADF-Kontrast im Winkelbereich des unteren Detektors zu gleichen Teilen aus Z-Kontrast und Huang-Kontrast zusammensetzt. Während der Kontrast hier nahezu konstant über der Probendicke verläuft, deutet sich im Winkelbereich des oberen Detektors eine relevante, nicht triviale Abhängigkeit an, die bei Probendicken bis 50 nm durch Dechannelling und darüber durch zusätzliche Huang-Streuung dominiert wird.
Für die gemischten Materialien mit eingebauten N-Atomen sind die Effekte jeweils noch etwas stärker ausgeprägt, entsprechend der auch größer gefundenen SDs. Zum eigentlichen Verständnis von Z-Kontrast widersprüchlich erscheint dabei das Vorzeichen des Kontrasts von B- und N-haltigen Materialien, deren Kernladungszahl verringert ist, während die Intensität durch Huang-Streuung deutlich erhöht wird. Gleichzeitig verursacht sie eine starke, nicht triviale Abhängigkeit des zu erwartenden Kontrasts von der Probendicke.
Die zum Ziel dieser Arbeit gesetzte quantitative Auswertung von HAADF-Aufnahmen mit Bestimmung von Probendicke und Konzentration in Form zweidimensionaler Karten erfolgte anhand drei verschiedener Materialsysteme auf Basis von GaAs, mit Fremdatomen des deutlich größeren Bi, sowie der deutlich kleineren Atomsorten B und N.
Die zweidimensionale Quantifizierung von Probendicke und Konzentration auf absoluter Intensitätsskala kann erfolgreich gelingen und dabei relativ großflächig einen Eindruck der vorliegenden Proben-Homogenität in Dicke, Konzentration und Qualität vermitteln. Dies konnte hier für GaAs-basierte Verbindungshalbleiter mit den unterschiedlichen Fremdatomen Bi und B bzw. N durch ein unkorrigiertes JEM2200FS und zugehörige Simulationen gezeigt werden.
Philipps-Universität Marburg
Natural sciences + mathematics
https://doi.org/10.17192/z2014.0381
opus:5658
urn:nbn:de:hebis:04-z2014-03815
ppn:347339433
application/pdf
composition
https://doi.org/10.17192/z2014.0381
opus:5658
2014
III-V
Quantifizierung
The use of an annular dark field (ADF) detector for measuring electrons scattered in high angles (HAADF) by a usually thin crystalline specimen in a scanning transmission electron microscope (STEM) allows for observation of chemically sensitive intensity. Therefore, this HAADF-STEM method is also known as Z-contrast, since the measured intensity of atoms or atomic colums, illuminated by a convergent electron beam, is proportional to the mean atomic number Z of the material.
Simulations of the HAADF-intensity can be made in multislice (MS) algorithm considering either an undisturbed virtual crystal (VCA), approximating the real structure of various technologically relevant compound III/V semiconductors, or taking into account static displacements (SDs) of atoms. These are introduced by incorporation of atoms with different sizes into one crystal sublattice, like Bi, B and N in GaAs or As, B and N in GaP. Several different random configurations of crystal lattices containing such SDs in frozen phonons (FP) are used to give a reliable representation of the interacting specimen.
By direct quantification of the measured intensities, instead of evaluating their ratio, one can achieve spatially resolved information on local thickness and composition. This is realized by comparison of results from experiment and simulation on an absolute intensity scale and requires knowledge of experimental parameters such as the electron probe semi-convergence angle and the angular range of the ADF-detector in a STEM like the JEM2200FS. Since the measured intensity depends on the efficiency of the detector scintillator, typically P or YAG:Ce, a direct scan of the detector is used to provide the detector sensitivity to account for in the simulations as well as the intensities of the background and the incident beam for corrected normalization of experimental intensities to the absolute scale of simulations.
For the two different ADF detectors in the uncorrected JEM2200FS microscope used in this work, such detector scans were achieved and evaluated for the needed factors.% The lower ADF detector with inhomogeneous P as scintillator, used at a cameralength of 8cm, ranges from 24.2mrad to 73mrad, and the upper one with more homogeneous YAG:Ce from 43.3mrad to 208mrad at 60cm cameralength, the outer detector edge determined by a differential pumping aperture. According sensitivity curves were determined and used as weighting factor for simulated scattering intensities of GaAs based Ga(BiAs), (BGa)As and Ga(NAs) as well as GaP based Ga(AsP), (BGa)P and Ga(NP).
Corresponding sensitivity curves were determined and used as weighting factor for scattering intensities, simulated in MS-FP approach in VCA and with SDs. Investigations of size and distribution of SDs show a marginal influence of As on the lattice of GaP but increasing dominance by Bi in GaAs. According to that, only the latter case shows significant changes in the HAADF-contrast to be expected, since a disturbed lattice qualifies less for channelling of the electron beam but produces additional popular Huang-scattering. The portion in Ga(BiAs)/GaAs contrast reaches one half for particular detector ranges.
The influence of that scattering further increases for B and N in GaP and GaAs which induce comparatively huge SDs generating Huang-scattering dominating the expectable ADF contrast quantitatively and qualitatively.
https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2014/0381/cover.png
Fachbereich Physik
2014-09-08
urn:nbn:de:hebis:04-z2014-03815
semiconductor
doctoralThesis
Philipps-Universität Marburg
ths
Prof. Dr.
Volz
Kerstin
Volz, Kerstin (Prof. Dr.)
Halbleiterphysik
Physik
Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie
Quantification of Composition in Cubic III/V Compound Semiconductors Using HAADF-STEM
monograph
Zusammensetzung
STEM
HAADF
German
2014-09-08
Elektronenmikroskopie
2014-07-09
Quantitative Untersuchungen der Zusammensetzung von kubischen III/V-Verbindungshalbleitern mittels HAADF-STEM
In der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) erlaubt insbesondere die Detektion von jenen Elektronen, die aus dem konvergenten Elektronenstrahl durch die Probe in große Winkelbereiche gestreut wurden, eine vergleichsweise intuitive Interpretation der experimentellen Intensität. Dies wird möglich durch die Verwendung eines geeigneten ringförmigen Dunkelfeld-Detektors, der die kleineren Winkelbereiche vernachlässigt. Während dort die Streuung kristalliner Proben hauptsächlich kohärent ist wird stattdessen im Bereich großer Streuwinkel die Streuung von Elektronen an Atomkernen detektiert (HAADF-Detektor). Die Methode hat sich unter der Bezeichnung Z-Kontrast etabliert, da die Intensität von Atomen und Atomsäulen in hochaufgelösten Aufnahmen in erster Näherung abhängig von der Kernladungszahl Z ist.
Eine quantitative Auswertung des Kontrasts in HAADF-Aufnahmen basiert in der Regel auf einem Vergleich mit Ergebnissen aus Simulationen, die die genaue Kenntnis der experimentellen Parameter erfordern. Wie in dem für diese Arbeit verwendeten unkorrigierten JEM2200FS Mikroskop zählen dazu in erster Linie der Strahlkonvergenzwinkel und der aktive Winkelbereich des verwendeten Detektors.
Ermöglicht wird damit eine großflächige und gleichzeitig dennoch punktgenaue Bestimmung von Probendicke und Zusammensetzung. Erforderlich ist dafür aber die Kenntnis aller Faktoren, die zur gemessenen Intensität beitragen, wie die Konversionseffizienz des Detektor-Szintillators in Form einer Sensitivitätskurve zur Gewichtung der simulierten Streuintensitäten.
Für beide Detektoren des unkorrigierten JEM2200FS, den oberen mit homogenem YAG:Ce und den unteren mit inhomogenem P-Szintillator, konnten erfolgreich Detektorscans angefertigt und die zugehörigen Winkelbereiche und Sensitivitätskurven bestimmt werden.
Die integrierte Intensität des binären GaAs- oder GaP-Materials dient zur zuverlässigen Bestimmung der Probendicke in den HAADF-Aufnahmen und ist daher möglichst genau zu ermitteln. Signifikant beeinflusst wird sie durch die Genauigkeit der bestimmten Werte für Innen- und Außenwinkel der Detektoren. Ebenso relevant ist die Gewichtung der Intensität durch die Sensitivitätskurve des jeweiligen Detektors. Sowohl eine leichte Elliptizität als auch eine Inhomogenität des jeweiligen Szintillators führen zu deutlichen Unterschieden in der integrierten Intensität.
In sämtlichen simulierten Materialsystemen, jeweils drei auf Basis von GaAs und GaP, wurde in Kapitel 5 der Einfluss statischer Atomverschiebungen (SDs) untersucht, die beim Einbau einer atomaren Spezies unterschiedlicher Größe im Kristallgitter entstehen. Diese Unordnung kann durch aktualisierte Atompositionen in den Simulationen berücksichtigt werden und davon verursacht entsteht einerseits diffuse Huang-Streuung und es kommt andererseits zum Dechannelling, zwei Prozesse also, die unterschiedlich wirken in verschiedenen Bereichen von Streuwinkel und Probendicken.
So ist der Einfluss der SDs auf die Streuung und den Kontrast in Ga(AsxP1−x) erwartungsgemäß gering, in Ga(BixAs1−x) aber bereits so deutlich, dass sich der zu erwartende ADF-Kontrast im Winkelbereich des unteren Detektors zu gleichen Teilen aus Z-Kontrast und Huang-Kontrast zusammensetzt. Während der Kontrast hier nahezu konstant über der Probendicke verläuft, deutet sich im Winkelbereich des oberen Detektors eine relevante, nicht triviale Abhängigkeit an, die bei Probendicken bis 50 nm durch Dechannelling und darüber durch zusätzliche Huang-Streuung dominiert wird.
Für die gemischten Materialien mit eingebauten N-Atomen sind die Effekte jeweils noch etwas stärker ausgeprägt, entsprechend der auch größer gefundenen SDs. Zum eigentlichen Verständnis von Z-Kontrast widersprüchlich erscheint dabei das Vorzeichen des Kontrasts von B- und N-haltigen Materialien, deren Kernladungszahl verringert ist, während die Intensität durch Huang-Streuung deutlich erhöht wird. Gleichzeitig verursacht sie eine starke, nicht triviale Abhängigkeit des zu erwartenden Kontrasts von der Probendicke.
Die zum Ziel dieser Arbeit gesetzte quantitative Auswertung von HAADF-Aufnahmen mit Bestimmung von Probendicke und Konzentration in Form zweidimensionaler Karten erfolgte anhand drei verschiedener Materialsysteme auf Basis von GaAs, mit Fremdatomen des deutlich größeren Bi, sowie der deutlich kleineren Atomsorten B und N.
Die zweidimensionale Quantifizierung von Probendicke und Konzentration auf absoluter Intensitätsskala kann erfolgreich gelingen und dabei relativ großflächig einen Eindruck der vorliegenden Proben-Homogenität in Dicke, Konzentration und Qualität vermitteln. Dies konnte hier für GaAs-basierte Verbindungshalbleiter mit den unterschiedlichen Fremdatomen Bi und B bzw. N durch ein unkorrigiertes JEM2200FS und zugehörige Simulationen gezeigt werden.
Fritz, Rafael
Fritz
Rafael
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