Quantitative Evaluation of the Interfaces in III/V Semiconductors with Scanning Transmission Electron Microscopy

In order to understand the principles of HAADF imaging and also to implement the contrast simulations efficiently and effectively, simulations about HAADF imaging are carried out. The results clearly show that TDS can significantly influence the collected intensity at the detector. In order to in...

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Main Author: Han, Han
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: Um die Prinzipien der HAADF-Bildgebung zu verstehen und um die Kontrastsimula- tionen effizient und effektiv umzusetzen, werden Simulationen der HAADF-Bildgebung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass TDS die gesammelte Intensität am Detektor signifikant beeinflussen kann. Um TDS während der Simulation in diese Studie einzubeziehen, kann die ”frozen-phonon” Methode angewendet werden. Dieses Modell betrachtet TDS durch Mittelung der HAADF-Bilder, die aus verschiedenen Atomkonfig- urationen berechnet wurden. Um Rechenzeit und Ressourcen zu sparen, werden die Ein- flüsse der Anzahl der Phonon-konfigurationen auf simulierte Bildintensitäten untersucht. Es wird gezeigt, dass 15 Phonon-Konfigurationen ausreichen, um ein robustes Ergeb- nis für die ”multi-slice” Simulation innerhalb einer vernünftigen Rechenzeit zu liefern. Darüber hinaus werden die Intensitäten der Atomsäulen der Gruppe III und der Gruppe V zusammen mit den Hintergrundpositionen für GaAa, GaP, (Ga0,5In0,5)P berechnet, um den Ursprung der Hintergrundintensität und ihre Einflüsse auf einzelne Untergitterinten- sitäten zu untersuchen. In dieser Studie werden zwei quantitative Auswertungsmethoden, nämlich Q-Methode und BIMS, eingeführt. Sie werden erfolgreich angewendet, um Materialsysteme sowohl mit dem nicht chemisch sensitiven Hintergrund als auch mit dem chemisch sensitiven Hintergrund zu charakterisieren. In Bezug auf die (GaIn)As/GaAs-Materialsysteme mit nicht von der Komposition ab- hängige Hintergründen wird die Q-Methode angewendet. Um vernünftige Ergebnisse zu erzielen, wird eine zweidimensionale Dickengradientenkorrektur durchgeführt und die Einflüsse der Faktoren (wie ”cross talk”, Spannungsrelaxation, Projektionseffekt), die die Charakterisierung erheblich beeinträchtigen können, werden ebenfalls diskutiert. Um einen fairen Vergleich zwischen verschiedenen Stichproben herzustellen, werden zwei Kri- terien zur Bestimmung der Rauigkeit der Grenzflächen, nämlich die 90/10-Auswertungs- Methode und Fehlerfunktion Fit Methode, für alle in der aktuellen Studie untersuchten Proben angewendet. Darüber hinaus wird die chemische Homogenität des QW als Merk- mal für die Auswertung eingeführt. Gefolgt von der Einführung dieser fundamentalen Eigenschaften werden die Einflüsse von Wachstumsbedingungen wie Wachstumstemper- atur, Wachstumsunterbrechungstemperatur und -zeit auf die chemische Zusammenset- zung und auf die Grenzflächenablauf untersucht. Bei Proben mit der gleichen Wachstums- und Wachstumsunterbrechungstemperatur, kann festgestellt werden, dass dieWachstumstemperatur von (GaIn)As die Indium-Verteilung sowohl im QW als auch an der Grenzfläche auffallend beeinflussen kann. Das Wachstum bei 625 ◦C führt zu einer inhomogenen Indium-Verteilung im QW sowie einer vermis- chten Grenzfläche. Die Anwendung der Wachstumsunterbrechungen kann die Indium- Verteilung sowohl im QW als auch an der Grenzfläche signifikant homogenisieren. Durch den Vergleich mit Simulationen wird gezeigt, dass die unteren Grenzflächen von (GaIn)As auf GaAs abrupt sind. Daher werden bei Proben mit unterschiedlichen Wachstums- und Wachstumsunterbrechungstemperaturen nur die oberen Grenzflächen von (GaIn)As un- tersucht. Neben den oben erwähnten Ergebnissen kann man darauf schlie�en, dass eine abrupte Grenzfläche, die bei niedriger Temperatur (525 ◦C) erzeugt wird, mit einer ho- hen Unterbrechungstemperatur von 625 ◦C leicht zu einer vermischten Grenzfläche wird. Ähnlich kann eine vermischte Grenzfläche, die bei 625 ◦C gebildet wird, auch durchWach- stumsunterbrechung bei 525 ◦C verbessert werden. In Bezug auf die (GaIn)P/GaAs-Materialsysteme mit Komposition abhängige Hinter- gründen kann das erwähnte Verfahren nicht mehr angewendet werden. Daher wird BIMS, basierend auf Q-Methode, entwickelt. Die Bildhintergrundintensität und ihre Einflüsse auf die quantitative Auswertung des chemischen Komposition werden eingeführt. Es wird festgestellt, dass die Bestimmung der chemischen Komposition über die Grenzfläche un- möglich ist, wenn die Bildhintergrundintensität nicht von dem Originalbild subtrahiert wird. Mit dieser Methode kann die atomare Auflösung nach der Hintergrundintensitäts- Subtraktion zur weiteren Auswertung beibehalten werden. Wie erwartet, hängen Kom- positionstiefenprofile und Grenzflächenmorphologie stark von den Wachstumsbedingun-gen ab. Eine Verringerung der Wachstumstemperatur von 625 ◦C auf 525 ◦C kann zu eine abrupten Heterogrenzfläche führen. Die Einführung einer GaP-Zwischenschicht kann die Grenzflächenmorphologie verbessern. Trotzdem führt diese Zwischenschicht auch zu einer erhöhten Trennung zwischen dem konstituierenden QW und der Barriere. Mit dieser Methode kann die Existenz einer inselförmigen Struktur an der Grenzflächen gezeigt und quantitativ analysiert werden. In der aktuellen Studie basiert die Bestimmung der chemischen Kompositions auf der Annahme dass zwischen der integrierten Intensität der Atomsäulen und ihrer chemis- chen Komposition eine linear Beziehung besteht. Obwohl die quantitative Auswertung der Grenzflächenmorphologie und der chemischen Homogenität des QW kaum von dieser Annahme beeinflusst wird, ist es immer noch sehr wichtig, die genaue chemische Kompo- sition jeder Atomsäule, insbesondere an der Grenzfläche, abzuleiten, um die Gitterkon- stante und die Bandlücke besser kontrollieren zu können. Um dies zu unterstützen, muss eine große Anzahl von Simulationen von (GaIn)As-Superzellen mit unterschiedlichen In- dium Gehalt durchgeführt werden. Dann kann eine fünfdimensionale Datenbank erstellt werden, die aus den Raumdimensionen x, y, z, der Komposition Dimension sowie der Di- mension des Detektorwinkels besteht, die sowohl hohe als auch niedrige Winkelbereiche abdeckt. Basierend auf der Datenbank kann die Beziehung zwischen der Untergitterinten- sität und der entsprechenden chemischen Komposition abgeleitet und für die Berechnung der chemischen Komposition einzelner Atomsäule mit großer Genauigkeit angewendet werden. In dieser Studie werden nur Elektronensignale unter hohen Winkeln verwen- det, um die quantitative Auswertung durchzuführen. Mit der Datenbank können auch Elektronen, die in niedrige Winkeln gestreut werden, für die Analyse verwendet werden. Es wird festgestellt, dass die Bildhintergrundintensität die quantitative Bewertung der chemischen Kompositions signifikant beeinflussen kann. Tatsächlich kann die Bildhinter- grundintensität auch verwendet werden, um die lokale Probendicke und die chemische Komposition der entsprechenden Atomsäulen zu bestimmen, da sie sowohl von der Dicke als auch von der durchschnittlichen Atomzahl des Kristalls abhängt. Daher kann die berechnete Hintergrundintensitätskarte in dieser Studie in eine Dickenkarte oder eine Kompositionskarte umgewandelt werden. Um dies zu erreichen, müssen Hintergrundin- tensitäten der experimentellen Bilder mit denen der fünfdimensionalen Datenbank ver- glichen werden. Dann kann eine Dickenkarte oder eine Kompositionskarte abgeleitet werden.