Microstructural Characterization of Dilute N-ContainingSemiconductor Alloys and Heterostructures by ScanningTransmission Electron Microscopy

Für die Realisierung einer hoch effizienten Lichtquelle in den integrierten Schaltkreisen auf Silizium wurden Ga(NAsP)-Quantum-Wells (QWs) in den Multi-Quantum-Well-Heterostrukturen (MQWH) mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) untersucht. Die MQWH wurden auf Si (001) mittels der m...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Wegele, Tatjana
Beteiligte: Volz, Kerstin (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2016
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Beschreibung
Zusammenfassung:Für die Realisierung einer hoch effizienten Lichtquelle in den integrierten Schaltkreisen auf Silizium wurden Ga(NAsP)-Quantum-Wells (QWs) in den Multi-Quantum-Well-Heterostrukturen (MQWH) mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) untersucht. Die MQWH wurden auf Si (001) mittels der metallorganischen Gasphasenepitaxie abgeschieden. Es wurde eine Methode entwickelt, um die Qualität der Schichten in den niedrigaufgelösten STEM-Bildern quantitativ zu vergleichen unf die Wachstumsbedingungen zu optimieren. Rauigkeit der Grenzflächen und Zusammensetzungsfluktuation wurden als Indikatoren der QW-Qualität gewählt und mathematisch definiert. Die Untersuchungen der Ga(NAsP)-QWs, welche bei 575 °C abgeschieden wurden und unterschiedliche nominelle Schichtdicke haben, zeigten sehr interessante Ergebnisse. Obwohl die absolute Rauigkeit der QWs mit einer steigender QW-Dicke größer wird, sind die relative Rauigkeit der Schichten und auch ihre Zusammensetzungsfluktuation unabhängig von der QW-Dicke. Hingegen, wenn nominelle Dicke nahezu konstant gehalten wird und nur die nur die Wachstumstemperatur verändert wird, steigen die relative und absolute Rauigkeit mit der Wachstumstemperaturzunahme, während die Zusammensetzungsfluktuation abnimmt. Dabei hat die bei 525 °C gewachsene Probe die niedrigste Grenzflächenrauigkeit. Es wurde überhaupt keine Phasenseparation beobachtet, was man nicht für ein metastabiles Material erwartet. Die Ab-initio-Berechnungen haben die experimentellen Ergebnisse bestätigt und gezeigt, dass Ga(NAsP) bis zum N-Gehalt von 20% nicht in binäre Komponente separiert wird. Solche Stabilität kann aus der guten Gitteranpassung an das Si-Substrat resultieren. Die Untersuchung der thermisch ausgeheizten Proben haben gezeigt, dass nicht nur die Wachstumstemperatur, sondern auch die Temperatur der thermischen Behandlung nach dem Wachstum einen starken Effekt auf die Schichtqualität hat. Die Intensität in den zu den Ga(NAsP)-QWs benachbarten GaP-Schichten steigt nach einer schnellen thermischen Ausheilung, was durch Ausdiffundieren von As oder/und N aus den Ga(NAsP)-QWs verursacht werden könnte. In den Ga(NAsP)-QWs entstehen dunkle Spots bei der Annealingtemperatur von 925 °C und höher. Die Ursache für diese Spots kann nicht durch einen Kompositionsgradienten aufgrund ihrer sphärischen Form erklärt werden. Eine quantitative Analyse der Kompositionsfluktuation in Abhängigkeit vom inneren Detektorwinkel hat gezeigt, die strukturelle Unordnung auf einer langen Skala mit der langreichweitigen elektronischen Unordnung korreliert. Die Zusammensetzungsfluktuation in den Bereichen zwischen den dunklen Spots korreliert mit der kurzreichweitigen elektronischen Unordnung. Unter der Berücksichtigung der Ergebnisse, dass die beste Grenzflächenqualität bei Wachstumstemperatur von 525 °C erreicht wurde und die besten opto-elektronischen Eigenschaften für die Ausheilungstemperatur von 925 °C gemessen wurden, wurde eine weitere Optimierung der QW-Qualität durch Variation des N/P-Gehaltes ausprobiert. Die „as grown“ Proben werden mit dem steigenden P-Gehalt homogener. Nach der thermischen Behandlung bei 925 °C entstehen dunkle Spots in den QWs für alle N/P-Konzentrationen, welche im Rahmen dieser Arbeit untersucht wurden. Die langreichweitige strukturelle Unordnung ist größer in diesem Fall im Vergleich zu den „as grown“ Proben. Diese nimmt mit dem steigenden P-Gehalt ab. Die kurzreichweitige strukturelle Unordnung hat ihr Minimum bei ca. 7% N. Bei den höheren N-Konzentrationen werden die Bereiche zwischen den dunklen Spots nach dem Annealing homogener als in den „as grown“ Proben. Die Annahme, dass porenartige Strukturen oder Löcher nach dem Annealing entstehen, wurde mittels der hochauflösenden STEM bestätigt. Es ist davon auszugehen, dass der Grund für die Entstehung der Poren der hohe Druck in den QWs ist, der durch N2 entstehen könnte. Zur Bildung der N2-Moleküle kann es bei der Diffusion der N-Atome in den N-reichen Bereichen kommen. Die Intensitätsverteilung der Gruppe-III und Gruppe-V Atomsäulen und sowie im Hintergrund wurden für unterschiedliche Detektorwinkeln quantitativ untersucht. Eine ausgezeichnete Übereinstimmung der simulierten und der experimentellen Ergebnisse wurde für die hohen und mittleren Detektorwinkel festgestellt. Dennoch, trat eine enorme Abweichung bis zu 30% zwischen den experimentellen und simulierten Ergebnissen für die niedrigen inneren Detektorwinkel auf.
Beschreibung:117 pages.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2016.0489