Quantitative Scanning Transmission Electron Microscopy for III-V Semiconductor Heterostructures Utilizing Multi-Slice Image Simulations

Quantitative STEM can satisfy the demand of modern semiconductor device development for atomically resolved structural information. Thereby, quantitative evaluations can be based on STEM intensities only, a combination of STEM intensities with different methods or a comparison of STEM intensities to...

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Main Author: Kükelhan, Pirmin
Contributors: Volz, Kerstin (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2019
Physik
Subjects:
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Table of Contents: Quantitative Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) kann die Entwicklung von modernen Halbleiterbauelementen mit atomar aufgelösten strukturellen Informationen unterstützen. Die Auswertung kann nur auf STEM Bildintensitäten, einer Kombination von STEM Bildintensitäten mit anderen Methoden und dem Vergleich von STEM Bildintensitäten mit Bildsimulationen beruhen. Basierend auf STEM Bildintensitäten können Halbleiter-Heterostrukturen wie die hier betrachtete „W“-Struktur quantitativ untersucht werden. Wenn diese Bildintensitäten mit Konzentrationen aus Röntgenbeugung kombiniert werden, können einfache Konzentrationsprofile berechnet werden. Mit höherer Genauigkeit und mit zweidimensionaler atomarer Auflösung kann die Komposition auch nur basierend auf STEM-Ergebnissen bestimmt werden, ohne Annahmen aus anderen Methoden hinzuzuziehen. Der dominante Z-Kontrast von STEM-Bildern ermöglicht die Kompositionsbestimmung durch den direkten Vergleich von Bildsimulationen und experimentellen Ergebnissen. Mit diesen genaueren Konzentrationsprofilen kann insbesondere die Oberflächensegregation an Grenzflächen in Heterostrukturen untersucht werden. Für die „W“-Strukturen ergab diese Untersuchung eine starke Wechselwirkung von In und Sb während des Wachstums mit metallorganischer Gasphasenepitaxie. Diese Wechselwirkung führt zu einer Änderung der Grenzflächen im Vergleich zu GaAs-Grenzflächen. Das Ziel der quantitativen STEM ist es, Atome zu lokalisieren, zu zählen und zu unterscheiden. Für ternäre III-V Halbleiter ist die Kompositionsbestimmung durch STEM bereits etabliert. Diese wird hinsichtlich einer möglichen atomgenauen Kompositionsbestimmung weiterentwickelt. Inwieweit diese Möglichkeit besteht, kann mit Bildsimulationen untersucht werden. Die Wahrscheinlichkeit, die Komposition einer Atomsäule atomgenau richtig zu bestimmen, ist statistisch festgelegt: Eine gegebene Anzahl an Austauschatomen in einer Atomsäule kann zu einer Verteilung von STEM-Intensitäten mit gewisser Breite führen. Die Ursache dieser Verteilung sind die vielen verschiedenen Möglichkeiten zur Anordnung dieser Atome in der Atomsäule. Daher wird die Wahrscheinlichkeit für die richtige Kompositionsbestimmung durch die Komposition und die Dicke der Atomsäule beeinflusst. Beides erhöht die Anzahl der Anordnungsmöglichkeiten und verringert damit die Wahrscheinlichkeit, die Komposition der Atomsäule richtig zu bestimmen. Außerdem wird diese Wahrscheinlichkeit durch das untersuchte Materialsystem beeinflusst. Hier ist der Unterschied der Ordnungszahlen zwischen Austausch- und Matrixatom entscheidend. Da aber technologisch relevante Proben untersucht werden, sind das Materialsystem und seine Komposition durch die Anforderungen an das jeweilige Bauelement bereits vorgegeben. Damit bleibt nur die Probendicke als freier Parameter, der durch die Probenpräparation festgelegt wird. Die Probenpräparation muss außerdem eine gute Qualität der Proben sicherstellen, d.h. insbesondere geringe Oberflächenschäden. Während die Komposition einer Atomsäule mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit richtig bestimmt wird, ist die Genauigkeit der Kompositionsbestimmung für viele Atomsäulen sehr gut. Lokale statistische Abweichungen heben sich gegenseitig auf und führen zu einer genauen Bestimmung der Gesamtkomposition. Experimentell werden meistens viele Atomsäulen untersucht, sodass die Gesamtkomposition korrekt ist. Um die Atome in einer Atomsäule unterscheiden zu können, muss man zuerst ihre Anzahl kennen. Da STEM die effektive Ordnungszahl einer Atomsäule untersucht, können Komposition und Dicke den gleichen Einfluss auf die Bildintensität haben. Eine falsche Annahme über die Dicke der Atomsäule verhindert eine genaue Kompositionsbestimmung. Daher ist es notwendig, die lokale Dicke einer Probe zu kennen. Typischerweise wird die Dicke einer zu untersuchenden Schicht aus Schichten bekannter Komposition interpoliert. Dies führt aber offensichtlich zu lokalen Ungenauigkeiten. In dieser Arbeit wird eine Methode gezeigt, mit der für ternäre III-V Halbleiter Dicke und Komposition aus nur einem STEM-Bild lokal bestimmt werden können. Hierbei werden sowohl die Kristallstruktur in [010]-Richtung als auch Wissen über Streueffekte aus Bildsimulationen ausgenutzt. Dicke und Komposition können auf diese Weise iterativ bestimmt werden. Da Dicke und Komposition den gleichen Einfluss auf die Bildintensität haben können, kann das Prinzip dieser Methode auch für quaternäre III-V Halbleiter mit zwei Elementen auf jedem Untergitter benutzt werden. Dafür muss die Dicke allerdings wieder interpoliert oder auf eine andere Art und Weise bestimmt werden. Das Wissen über Streueffekte aus Simulationen sowie die Intensität beider Untergitter können zusammen für eine iterative Kompositionsbestimmung genutzt werden. Der Winkelbereich des STEM-Detektors kann für die Kompositionsbestimmung optimiert werden. Eine detaillierte Untersuchung der Winkelbereiche der Elektronenstreuung bietet viele Verbesserungs- und Entwicklungsmöglichkeiten und wird insbesondere durch die verfügbaren experimentellen Geräte wie einen ortsaufgelösten Detektor begünstigt. Dadurch kann nicht nur die Kompositionsbestimmung für bereits in dieser Arbeit untersuchte Materialsysteme verbessert, sondern auch für andere III/V-Halbleiter oder kristalline Materialien mit unbekannter Zusammensetzung ermöglicht werden.