Structural characterization of antimonide-based metamorphic buffer layers on (001) silicon substrate

The aim of the present study was the growth of antimony-based buffer layers with the lattice constant of InP on a GaP/Si pseudosubstrate by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) and their structural investigation by atomic force microscopy (AFM), X-ray diffraction (XRD), and (scanning) transmiss...

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Main Author: Ott, Andrea
Contributors: Volz, Kerstin (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2017
Physik
Subjects:
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Table of Contents: Ziel der vorliegenden Arbeit war das Wachstum von Antimon-basierten Puffer Strukturen mit der Gitterkonstante von InP auf einem GaP/Si Pseudosubstrat mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) und die anschließende strukturelle Untersuchung mit Rasterkraftmikroskopie (AFM), hochauflösender Röntgenbeugung (XRD) und (Raster-)Transmissionselektronenmikroskopie ((S)TEM). Der Zweck dieser Puffer war die Überbrückung der Gitterfehlanpassung zwischen Si und InP, sodass eine homogene Oberfläche für das Wachstum von n-gedopten (GaIn)As Kanalschichten mit der Gitterkonstante von InP auf einem Siliziumsubstratrat zur Verfügung steht. Das Wachstum von Sb-basierten Pufferschichten auf GaP/Si Pseudosubstrat ist mit vielen Herausforderungen verbunden. Das Hauptproblem lag in der Inselnukleation von GaSb, Ga(PSb) sowie Ga(AsSb) auf dem gewählten Substrat. Diese Inseln hatten jeweils verschiedene Relaxationsgrade. Die hochauflösenden Z-Kontrastbilder haben gezeigt, dass die Inseln nicht nur durch die Lomer-Versetzungen, sondern auch durch 60° Versetzungen und 60° Versetzungspaare an der Grenzfläche ausbilden. Zusätzlich relaxieren die Inseln über plastische Relaxation aufgrund der freien Oberfläche, sowie dem Einbau von Stapelfehlern. Es wurde außerdem gezeigt, dass die Grenzflächenrauigkeit für Ga(PSb)/GaP im Vergleich zum binären GaSb/GaP Materialsystem zunahm und der Ga(AsSb)/GaP Grenzfläche, wo die Gruppe V Atome von P zu (AsSb) komplett ausgetauscht werden, am ausgeprägtheiten war. Mit zunehmender Wachstumszeit nimmt die Größe der Inseln zu, bis sie eine geschlossene Schicht bilden. Dabei nimmt der Relaxationsgrad mit wachsender Geschlossenheit der Schicht zu und die Größenordnung für die Dichte an Stapelfehlern und Fadenversetzungen lag bei 10^10/cm^2. Zusätzlich wurden in Ga(PSb) Schichten Kristallbereiche mit geringen Sb-Gehalt, die pseudomorph an der Grenzfläche zu GaP wuchsen, beobachtet. Die inselartige Nukleation von Ga(PSb) konnte weder durch die Anwendung eines gepulsten Wachstumsmodus noch durch das Einschieben einer pseudomorph gewachsenen Ga(PSb) Zwischenschicht mit einem geringen Sb-Gehalt zwischen der metamorph gewachsenen Ga(PSb) Pufferschicht und der GaP Schicht überwunden werden. Der vielversprechendste Ansatz zur Herstellung einer hochqualitativen Pufferschicht war die Einführung einer InP Schicht. Diese zeigte eine 2D-Nukleation auf dem GaP/Si Pseudosubstrat. Wenn die Wachstumsbedingungen so optimiert würden, dass die Relaxation der InP Schicht ohne die Bildung von Defekten wie Stapelfehlern oder Fadenversetzungen vonstattengeht, dann wäre das InP/GaP/Si Pseudosubstrat eine vielversprechende Grundlage für das Wachstum von (GaIn)As Kanalschichten.