Analyse selbstorganisierter In(Ga)As-Quantenstrukturen mit dem Raster-Transmissionselektronenmikroskop

Dateibereich 20046

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Ziel dieser Arbeit war es, die analytischen Methoden der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie zur Untersuchung selbstorganisierter In(Ga)As-Quantenstrukturen anzuwenden. Mit den abbildenden Methoden Z-Kontrast und Hellfeld (Ortsauflösungen im Subnanometerbereich) und insbesondere mit den Möglichkeiten der quantitativen chemischen EELS-Analyse (Elektronenenergieverlustspektroskopie; Genauigkeit elementabhängig ca. 1-2 %) des Raster-Transmissionselektronenmikroskops (RTEMs) sollten grundsätzliche Fragestellungen hinsichtlich der Morphologie und der chemischen Eigenschaften selbstorganisierter Quantenstrukturen beantwortet werden, um hierdurch die Herstellung optimierter Quantenstrukturen zu ermöglichen. Durch die hohe Ortsauflösung des RTEMs konnten u.a. essentielle morphologische und strukturelle Parameter im Wachstumsverhalten von „Dot in a Well“-Strukturen (DWell) und von vertikal korrelierten Quantum Dots (QDs) analysiert werden. Zur Optimierung von DWell-Strukturen wurden Proben untersucht, deren nominelle InAs-QD-Wachstumsposition innerhalb des einbettenden InGaAs-Quantum Wells (QWs) gezielt variiert wurde. Die RTEM-Messungen zeigten, dass eine Verringerung der unteren InGaAs-Schichtdicke im Vergleich zur Dicke der oberen InGaAs-Schicht zu einer deutlich symmetrischeren Einbettung des QDs in die InGaAs-Matrix des QWs führt. In sehr guter Übereinstimmung zum gefundenen Wachstumsverhalten zeigte die Probe mit symmetrischer DWell-Struktur bessere optische Eigenschaften, wie eine geringere PL-Peak-Linienbreite, eine höhere absolute PL-Intensität und eine geringere Schwellstromdichte entsprechender Laser-Dioden. Zur Untersuchung von vertikal korrelierten QDs wurden mit den ortsaufgelösten Methoden der Raster-Transmissionselektronenmikroskopie Proben mit zwei Lagen nominell identischer InGaAs-QDs untersucht, deren GaAs-Barrierendicke gezielt variiert wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die Verringerung der Barrierendicke sich stark auf die räumliche vertikale Korrelation auswirkt. Durch eine 4 nm dicke Barrierenschicht getrennte QDs besaßen eine wesentlich stärkere räumliche Korrelation der Wachstumsposition in Bezug auf die untere QD-Lage verglichen mit QDs, die durch eine 8 nm dicke Barrierenschicht getrennt waren. Messungen von Größe und chemischer Zusammensetzung der QDs in den untersuchten Proben zeigten hierbei, dass unabhängig von dem jeweiligen Korrelationsgrad morphologisch und chemisch identische QDs entstanden sind, die durch eine reine GaAs-Barriere getrennt sind. Dies ist im Hinblick auf mögliche Anwendungen gekoppelter Quantenstrukturen von besonderer Bedeutung. Neben der Möglichkeit morphologische und strukturelle Untersuchungen auf einer Nanometerskala durchführen zu können, bietet das RTEM in Verbindung mit der EELS-Methode großes Potential zur chemischen Analyse von Quantenstrukturen. Untersucht wurde eine Probenreihe selbstorganisierter InGaAs/GaAs-Strukturen auf GaAs-Substrat, deren Verspannung durch Variieren des Ga-Gehalts des InGaAs-Materials zwischen 2.4 % und 4.3 % verändert worden ist, um die selbstorganisierte Bildung unterschiedlicher Quantenstrukturen zu ermöglichen. In der Probe mit der größten Verspannung stellte sich erwartungsgemäß heraus, dass QD-Strukturen entstanden sind. Ein Verspannungswert von 3.2 % führte, wie u.a. mittels EELS gezeigt werden konnte, zur Bildung von QD-Strukturen und Quantum Dash (QDash)-Strukturen in einer Probe. Messungen an der geringstverspannten Probe belegen die selbstorganisierte Ausbildung von QDashes. Somit konnte insgesamt an dieser Probenreihe ein verspannungsabhängiger Morphologieübergang von QDash- zu QD-Strukturen beobachtet werden. Die genauen morphologischen und chemischen Eigenschaften von QDash-Strukturen auf InP-Substraten, deren Größe beim Wachstum gezielt kontrolliert variiert werden sollten, wurden mit den verschiedenen RTEM-Methoden (u.a. EELS) analysiert. Bei der Herstellung von fünf unterschiedlichen Proben wurde hierzu die Quantität des angebotenem InAs über einen relativ weiten Bereich variiert. Die Auswertung von Querschnittsaufnahmen der unterschiedlichen Proben zeigte QDashes mit einem stets dreieckigen Querschnitt. Die Extraktion der Winkel des Querschnittsdreiecks ergab zudem, dass die Form der QDashes in allen hergestellten Proben erhalten blieb: Lediglich die absolute Größe der Querschnitte war unterschiedlich. Im Hinblick auf die Größenkontrolle konnte gezeigt werden, dass sich Höhe und Breite des Querschnittsdreiecks der QDashes direkt proportional zur nominell abgeschiedenen InAs-Schicht ändern. Chemische Untersuchungen mittels EELS und Z-Kontrast zeigten, dass sich in den QDashes und in der einbettenden Kristallmatrix keine nennenswerten Durchmischungen mit anderen Elementen ergaben, d.h. die selbstorganisierten QDashes bestanden zu 100 % aus InAs. Die direkte Größenkontrolle selbstorganisierter QDashes ermöglicht eine Einstellung der Emissionswellenlänge von 1.3 µm bis hin zu 1.9 µm durch die Variation lediglich eines Herstellungsparameters.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Elektrotechnik und Informationstechnik » Werkstoffe der Elektrotechnik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Stichwörter:
Raster-Transmissionselektronenmikroskopie, RTEM, Quantenstrukturen, Selbstorganisation, Elektronenenergieverlustspektroskopie, EELS, Quantum Dot, Quantum Dash, Quantum Well, Dot in a Well, InGaAs, InAs, GaAs
Beitragende:
Prof. Dr. rer. nat. Bacher, Gerd [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. rer. nat. Jäger, Dieter [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
27.05.2008
Promotionsantrag am:
14.11.2007
Dateien geändert am:
29.07.2013
Medientyp:
Text