title: Hochaufgelöste transmissionselektronenmikroskopische Untersuchungen an Galliumphosphid auf Silizium
title: High-resolution transmissionelectronmicroscopic studies on gallium phosphide on silicon
Creators: name: Beyer, Andreas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Galliumphosphide
Scanning transmission electron microscopy
Epitaxy
Silicium
Durchstrahlungselektronenmikroskopie
Physik
Raster-Transmissions-Elektronenmikroskop
Galliumphosphid
Epitaxie
Silicon

description: In dieser Arbeit wurden
      GaP/Si-Heterostrukturen, die mittels MOVPE gewachsen wurden,
      mit Hilfe verschiedener TEM-Methoden untersucht. Die
      HAADF-Technik hat sich als geeignete Methode zur Untersuchung
      der Grenzfläche und Auftreten der APDs auf atomarer Skala
      erwiesen. Trotz der oft gelobten intuitiveren Interpretation
      gegenüber konventionellen TEM-Messungen, zeigen sich Effekte,
      die über den Z-Kontrast hinausgehen, was eine geeignete
      Simulationen unabdingbar macht. Es wurde gezeigt, dass die
      AP-Approximation für TEM-Probendicken unterhalb von 50 nm um
      weniger als 5% von der rechenintensiveren FP-Approximation
      abweicht. Werden statt der absoluten Intensität
      Intensitätsverhältnisse betrachtet, kann die AP-Rechnung über
      einen noch größeren Bereich von Probendicken angewendet
      werden. In Simulationen zeigt sich, dass die
      Intensitätsverhältnisse von Si:Ga und P:Ga ein Maß für die
      Dicke einer TEM-Probe sind. Das ermöglicht die direkte
      Bestimmung der Dicke aus einer experimentellen
      HAADF-Aufnahme. Über weitere Simulationen bei fester Dicke
      wurde der Einfluss chemischer Durchmischung auf das
      HAADF-Signal sowie der optimale Detektorbereich bestimmt. Bei
      Si-Puffern auf exaktem Si-Substrat zeigt sich, entgegen der
      theoretischen Rechnung, die klare Dominanz der
      Typ-A-Oberflächenrekonstruktion, bei der die Dimere senkrecht
      zu den Stufenkanten orientiert sind. Das liegt in den
      H2-reichen Wachstumsbedingungen begründet, die sich deutlich
      von den UHV-Bedingungen unterscheiden, die für die Berechnung
      der Oberflächenenergie angenommen wurden. Die GaP-Schichten,
      die auf diesen Substraten abgeschieden wurden, sind stets
      P-polar bei Betrachtung entlang der Stufen. Wird diese
      Polarität hinunter bis zur Grenzfläche projiziert, so ist
      diese von Ga-Si-Bindungen dominiert. Das liegt darin
      begründet, dass der P-Prekursor bei niedrigen
      Wachstumstemperaturen nicht vollständig zerlegt ist und die
      Si-Oberfläche durch das vorherige Pufferwachstum durch
      Wasserstoff passiviert ist. Nur in Anwesenheit des
      Ga-Prekursors wird auch der P-Prekursor katalytisch zerlegt.
      Durch veränderte Wachstumsbedingungen, bei denen ein Puls des
      P-Prekursor bei hoher Temperatur angeboten wird, kann die
      Bildung von P-Si-Bindungen erzwungen werden und die Polarität
      des GaP-Kristalls auf großer Skala umgekehrt werden. Das hat
      eine Verringerung der APD-Größe zur Folge wobei ihre Dichte
      zunimmt. Auf atomarer Skala zeigt sich, dass an der
      Grenzfläche Durchmischungsprozesse zwischen GaP und Si
      auftreten. Diese konnten quantitativ mittels HAADF-Messungen
      ausgewertet werden. In dünnen Proben kann die Durchmischung
      parallel zur Grenzfläche direkt beobachtet werden. Für die
      betrachteten Proben zeigt sich im Rahmen der experimentellen
      Genauigkeit das gleiche Durchmischungsverhalten. In jeweils
      drei Ga- und drei P-Säulen sind signifikante Mengen von Si
      enthalten. Das deckt sich sehr gut mit den Ergebnissen aus
      DFT-Rechnungen, denen zufolge sieben Lagen Durchmischung an
      der Grenzfläche energetisch günstig sind. Das legt nahe, dass
      es sich um die minimale intrinsische Rauigkeit der
      GaP/Si-Grenzfläche handelt. Höhere Wachstumstemperaturen, wie
      sie bei der Abscheidung von Si auf GaP Verwendung finden,
      führen zu einem deutlich größeren Durchmischungsbereich. Die
      APDs, die in GaP-Schichten auf exaktem Si-Substrat beobachtet
      wurden, zeigen eine anisotrope Form bei Betrachtung aus der
      [110]- und [-110]-Richtung. Makroskopisch verlaufen die
      abknickenden APBs in [110]-Betrachtungsrichtung auf {112} und
      {111}-Ebenen, wohingegen sie in der [-110]-Richtung auf
      {110}-Ebenen gerade durch die Schicht verlaufen. Dies könnte
      wiederum auf die unterschiedlichen Wachstumsraten des GaP
      entlang dieser Richtungen zurückzuführen sein. Bei geeigneten
      experimentellen Parametern können die APDs mittels STEM
      detektiert werden, obwohl sie keinen konventionellen
      Z-Kontrast zeigen sollten. Experimente und Simulationen für
      verschiedene Kameralängen zwischen Probe und
      Dunkelfelddetektor legen nahe, dass der zusätzliche Kontrast
      der APDs auf Huang-Streuung zurückzuführen ist, i.e. eine
      Erhöhung der thermisch diffusen Streuung in kleine Winkel.
      Diese kommt dadurch zustande, dass die Periodizität des
      Kristalls an der APB gestört ist. In großen Streuwinkeln ist
      der Einfluss dieses Effekts gering und die chemische Analyse
      möglich Die gefundenen APBs erscheinen aufgrund der komplexen
      dreidimensionalen APD-Form meist breiter als vom einfachen
      Kristallmodell zu erwarten wäre. Querschnitts-Aufnahmen
      zeigen, dass APBs Sprünge vollziehen können und nicht auf
      eine feste Kristallebene fixiert sind. An Stellen, an denen
      die APBs minimale Breite aufweisen, konnten Ga-Ga-und
      P-P-Bindungen nachgewiesen werden. In hoher Auflösung wird
      sichtbar, dass die abknickenden APBs facettiert sind. Dadurch
      könnten sie, entgegen dem Kristallmodell für APBs auf
      {112}-Ebenen, nicht ladungsneutral sein, sondern einen
      Überschuss an P-P-Bindungen beinhalten.
description: In this work
      GaP/Si-heterostructures, which were grown by MOVPE, were
      studied utilizing different TEM techniques. With the
      high-resolution HAADF technique one is capable of
      investigating interfaces as well as possible APDs on an
      atomic scale. Despite the commonly praised more intuitive
      interpretation in comparison to conventional
      TEM-measurements, effects beyond pure Z-contrast are
      observable, making an adequate simulation indispensable. It
      was shown that the AP-approximation deviates by less than 5%
      from the more time consuming FP-approximation for TEM-sample
      thicknesses below 50 nm. If relative intensities are
      evaluated instead of absolute ones, the AP-approximation is
      valid for an even wider range of thicknesses. The simulations
      show that the intensity-ratio of Si:Ga or P:Ga, respectively,
      is a good measure of the thickness of a sample. This
      facilitates the direct determination of the local thickness
      from experimental HAADF images. The influence of chemical
      intermixing on the HAADF intensity and the optimum detector
      size was determined by additional simulations at a fixed
      sample thickness. The Si-buffers grown on exactly oriented
      Si-substrates show, unlike theoretical predic-tions, a clear
      predominance of the A-type surface reconstruction, in which
      the dimers are oriented perpendicular to the step edges. This
      is caused by the H2-rich growth conditions, which
      significantly differ from the UHV conditions that were
      assumed to calculate the surface energies. The GaP-layers
      grown on these substrates always exhibit P-polarity viewed
      along the step edges. If this polarity is projected down to
      the interface, it is dominated by Ga-Si bonds. This is caused
      by the fact that the P-precursor (TBP) is not fully
      decomposed at the low growth temperatures and the Si-surface
      is passivated by hydrogen due to the prior buffer growth.
      Only in the presence of the Ga-precursor, the P-precursor is
      decomposed catalytically. By adjusted growth conditions,
      which provide a pulse of the P-precursor at a higher
      temperature, the formation of P-Si bonds can be enforced and
      the polarity of the GaP-crystal can be reversed on a large
      scale. This results in a reduction of the APD size, while
      their density increases. In contrast to that, the GaP-layers
      on 2°-misoriented Si-subsrates show Ga-polarity viewed along
      the step edges, which cannot be reversed by the application
      of TBP at high temperatures. This can be explained by the
      fact that the Si-buffer is, contrary to expectations, mostly
      covered by single atomic steps, therefore the width of the
      terraces is only about 4 nm. Because of the faster growth
      rate of the Ga-polar GaP that was found along the
      [110]-direction, it always prevails. On an atomic scale
      intermixing of GaP and Si is present at the interface. This
      was quantified via HAADF-measurements. In thin TEM-samples
      the intermixing along the interface is directly observable.
      With respect to the experimental accuracy the investigated
      samples show the same intermixing behavior. A significant
      amount of Si can be found in three Ga- and three P-layers.
      This is in very good agreement with the results from
      DFT-calculations, which show seven monolayers of intermixing
      to be energetically favorable. This indicates that it might
      be the intrinsic interface roughness of the GaP/Si material
      system. Significant higher growth temperatures, which are
      used during the growth of Si on GaP, lead to a larger region
      of intermixing at the interface. The APDs that were observed
      in GaP-layers on exact substrate show an anisotropic shape
      viewed along [110] or [-110], respectively. Viewed along
      [110], the kinking APBs macroscopically lie on {112}- and
      {111}-planes, while they run on {110}-planes through the
      whole layer viewed along [-110]. This could again be caused
      by the different growth rates along these directions. At
      appropriate experimental conditions the APDs can be detected
      via STEM, although they should not express conventional
      Z-contrast. Experiments and simulations for different
      cameralengths between sample and detector show that the
      additional contrast of the APDs is due to Huang-scattering,
      i.e. an increase of thermal diffuse scattering into low
      angles. This is caused by the fact that the periodicity of
      the crystal is deteriorated at the APB. In high scattering
      angles the influence of this effect is small and the chemical
      analysis is possible. Because of the complex
      three-dimensional shape of the APDs, the found APBs appear
      broader than expected from the simple crystal model.
      Cross-sectional measurements show that the APBs are not fixed
      to a specific crystal plane but can jump. At positions where
      the APBs exhibit minimum width, Ga-Ga- and P-P-bonds could be
      detected. In high resolution images it becomes obvious that
      the kinking APBs are facetted. Because of this, they can be
      negatively charged, contrary to the crystal model of the
      {112}-APD, due to a majority of P-P-bonds.