title: Quantitative Untersuchungen der Zusammensetzung von kubischen III/V-Verbindungshalbleitern mittels HAADF-STEM
title: Quantification of Composition in Cubic III/V Compound Semiconductors Using HAADF-STEM
Creators: name: Fritz, Rafael
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Quantifizierung
Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie
STEM
semiconductor
Naturwissenschaften
Verbindungshalbleiter
Halbleiterphysik
III-V
composition
Zusammensetzung
Elektronenmikroskopie
HAADF

description: The use of an annular dark field
      (ADF) detector for measuring electrons scattered in high
      angles (HAADF) by a usually thin crystalline specimen in a
      scanning transmission electron microscope (STEM) allows for
      observation of chemically sensitive intensity. Therefore,
      this HAADF-STEM method is also known as Z-contrast, since the
      measured intensity of atoms or atomic colums, illuminated by
      a convergent electron beam, is proportional to the mean
      atomic number Z of the material. Simulations of the
      HAADF-intensity can be made in multislice (MS) algorithm
      considering either an undisturbed virtual crystal (VCA),
      approximating the real structure of various technologically
      relevant compound III/V semiconductors, or taking into
      account static displacements (SDs) of atoms. These are
      introduced by incorporation of atoms with different sizes
      into one crystal sublattice, like Bi, B and N in GaAs or As,
      B and N in GaP. Several different random configurations of
      crystal lattices containing such SDs in frozen phonons (FP)
      are used to give a reliable representation of the interacting
      specimen. By direct quantification of the measured
      intensities, instead of evaluating their ratio, one can
      achieve spatially resolved information on local thickness and
      composition. This is realized by comparison of results from
      experiment and simulation on an absolute intensity scale and
      requires knowledge of experimental parameters such as the
      electron probe semi-convergence angle and the angular range
      of the ADF-detector in a STEM like the JEM2200FS. Since the
      measured intensity depends on the efficiency of the detector
      scintillator, typically P or YAG:Ce, a direct scan of the
      detector is used to provide the detector sensitivity to
      account for in the simulations as well as the intensities of
      the background and the incident beam for corrected
      normalization of experimental intensities to the absolute
      scale of simulations. For the two different ADF detectors in
      the uncorrected JEM2200FS microscope used in this work, such
      detector scans were achieved and evaluated for the needed
      factors.% The lower ADF detector with inhomogeneous P as
      scintillator, used at a cameralength of 8cm, ranges from
      24.2mrad to 73mrad, and the upper one with more homogeneous
      YAG:Ce from 43.3mrad to 208mrad at 60cm cameralength, the
      outer detector edge determined by a differential pumping
      aperture. According sensitivity curves were determined and
      used as weighting factor for simulated scattering intensities
      of GaAs based Ga(BiAs), (BGa)As and Ga(NAs) as well as GaP
      based Ga(AsP), (BGa)P and Ga(NP). Corresponding sensitivity
      curves were determined and used as weighting factor for
      scattering intensities, simulated in MS-FP approach in VCA
      and with SDs. Investigations of size and distribution of SDs
      show a marginal influence of As on the lattice of GaP but
      increasing dominance by Bi in GaAs. According to that, only
      the latter case shows significant changes in the
      HAADF-contrast to be expected, since a disturbed lattice
      qualifies less for channelling of the electron beam but
      produces additional popular Huang-scattering. The portion in
      Ga(BiAs)/GaAs contrast reaches one half for particular
      detector ranges. The influence of that scattering further
      increases for B and N in GaP and GaAs which induce
      comparatively huge SDs generating Huang-scattering dominating
      the expectable ADF contrast quantitatively and
      qualitatively.
description: In der
      Raster-Transmissionselektronenmikroskopie (STEM) erlaubt
      insbesondere die Detektion von jenen Elektronen, die aus dem
      konvergenten Elektronenstrahl durch die Probe in große
      Winkelbereiche gestreut wurden, eine vergleichsweise
      intuitive Interpretation der experimentellen Intensität. Dies
      wird möglich durch die Verwendung eines geeigneten
      ringförmigen Dunkelfeld-Detektors, der die kleineren
      Winkelbereiche vernachlässigt. Während dort die Streuung
      kristalliner Proben hauptsächlich kohärent ist wird
      stattdessen im Bereich großer Streuwinkel die Streuung von
      Elektronen an Atomkernen detektiert (HAADF-Detektor). Die
      Methode hat sich unter der Bezeichnung Z-Kontrast etabliert,
      da die Intensität von Atomen und Atomsäulen in
      hochaufgelösten Aufnahmen in erster Näherung abhängig von der
      Kernladungszahl Z ist. Eine quantitative Auswertung des
      Kontrasts in HAADF-Aufnahmen basiert in der Regel auf einem
      Vergleich mit Ergebnissen aus Simulationen, die die genaue
      Kenntnis der experimentellen Parameter erfordern. Wie in dem
      für diese Arbeit verwendeten unkorrigierten JEM2200FS
      Mikroskop zählen dazu in erster Linie der
      Strahlkonvergenzwinkel und der aktive Winkelbereich des
      verwendeten Detektors. Ermöglicht wird damit eine
      großflächige und gleichzeitig dennoch punktgenaue Bestimmung
      von Probendicke und Zusammensetzung. Erforderlich ist dafür
      aber die Kenntnis aller Faktoren, die zur gemessenen
      Intensität beitragen, wie die Konversionseffizienz des
      Detektor-Szintillators in Form einer Sensitivitätskurve zur
      Gewichtung der simulierten Streuintensitäten. Für beide
      Detektoren des unkorrigierten JEM2200FS, den oberen mit
      homogenem YAG:Ce und den unteren mit inhomogenem
      P-Szintillator, konnten erfolgreich Detektorscans angefertigt
      und die zugehörigen Winkelbereiche und Sensitivitätskurven
      bestimmt werden. Die integrierte Intensität des binären GaAs-
      oder GaP-Materials dient zur zuverlässigen Bestimmung der
      Probendicke in den HAADF-Aufnahmen und ist daher möglichst
      genau zu ermitteln. Signifikant beeinflusst wird sie durch
      die Genauigkeit der bestimmten Werte für Innen- und
      Außenwinkel der Detektoren. Ebenso relevant ist die
      Gewichtung der Intensität durch die Sensitivitätskurve des
      jeweiligen Detektors. Sowohl eine leichte Elliptizität als
      auch eine Inhomogenität des jeweiligen Szintillators führen
      zu deutlichen Unterschieden in der integrierten Intensität.
      In sämtlichen simulierten Materialsystemen, jeweils drei auf
      Basis von GaAs und GaP, wurde in Kapitel 5 der Einfluss
      statischer Atomverschiebungen (SDs) untersucht, die beim
      Einbau einer atomaren Spezies unterschiedlicher Größe im
      Kristallgitter entstehen. Diese Unordnung kann durch
      aktualisierte Atompositionen in den Simulationen
      berücksichtigt werden und davon verursacht entsteht
      einerseits diffuse Huang-Streuung und es kommt andererseits
      zum Dechannelling, zwei Prozesse also, die unterschiedlich
      wirken in verschiedenen Bereichen von Streuwinkel und
      Probendicken. So ist der Einfluss der SDs auf die Streuung
      und den Kontrast in Ga(AsxP1−x) erwartungsgemäß gering, in
      Ga(BixAs1−x) aber bereits so deutlich, dass sich der zu
      erwartende ADF-Kontrast im Winkelbereich des unteren
      Detektors zu gleichen Teilen aus Z-Kontrast und
      Huang-Kontrast zusammensetzt. Während der Kontrast hier
      nahezu konstant über der Probendicke verläuft, deutet sich im
      Winkelbereich des oberen Detektors eine relevante, nicht
      triviale Abhängigkeit an, die bei Probendicken bis 50 nm
      durch Dechannelling und darüber durch zusätzliche
      Huang-Streuung dominiert wird. Für die gemischten Materialien
      mit eingebauten N-Atomen sind die Effekte jeweils noch etwas
      stärker ausgeprägt, entsprechend der auch größer gefundenen
      SDs. Zum eigentlichen Verständnis von Z-Kontrast
      widersprüchlich erscheint dabei das Vorzeichen des Kontrasts
      von B- und N-haltigen Materialien, deren Kernladungszahl
      verringert ist, während die Intensität durch Huang-Streuung
      deutlich erhöht wird. Gleichzeitig verursacht sie eine
      starke, nicht triviale Abhängigkeit des zu erwartenden
      Kontrasts von der Probendicke. Die zum Ziel dieser Arbeit
      gesetzte quantitative Auswertung von HAADF-Aufnahmen mit
      Bestimmung von Probendicke und Konzentration in Form
      zweidimensionaler Karten erfolgte anhand drei verschiedener
      Materialsysteme auf Basis von GaAs, mit Fremdatomen des
      deutlich größeren Bi, sowie der deutlich kleineren Atomsorten
      B und N. Die zweidimensionale Quantifizierung von Probendicke
      und Konzentration auf absoluter Intensitätsskala kann
      erfolgreich gelingen und dabei relativ großflächig einen
      Eindruck der vorliegenden Proben-Homogenität in Dicke,
      Konzentration und Qualität vermitteln. Dies konnte hier für
      GaAs-basierte Verbindungshalbleiter mit den unterschiedlichen
      Fremdatomen Bi und B bzw. N durch ein unkorrigiertes
      JEM2200FS und zugehörige Simulationen gezeigt werden.