Compliance of epitaxial InGaAs epilayers on porous GaAs substrates
Creators: name: Γκουντάρας, Αθανάσιος Αριστείδη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2015
Subjects: Επιστήμη υλικών
Προσαρμογή υμενίων InGaAs
Πορώδη υποστρώματα GaAs
Materials science
Compliance of InGaAs films
Porous GaAs substrates

description: Στην παρούσα εργασία εξετάζουμε την επιταξιακή προσαρμογή λεπτών υμενίων InGaAs τα οποία έχουν αναπτυχθεί πάνω σε υποστρώματα GaAs καθώς και την επίδραση της πορώδους συμπεριφοράς στον περιορισμό της πλαστικής παραμόρφωσης. Η πλαστική παραμόρφωση είναι υπεύθυνη για την εμφάνιση μεγάλης πυκνότητας εξαρμώσεων προσαρμογής (MDs) στη διεπιφάνεια InGaAs/GaAs, όπως παρατηρούμε από την απεικόνιση της εγκάρσιας διατομής των δειγμάτων του υλικού μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (ΤΕΜ). Σε πρώτο στάδιο παρουσιάζουμε μία σύντομη αναφορά στη δομή του σφαλερίτη, η οποία αποτελεί τη χαρακτηριστική δομή των υλικών InGaAs και GaAs. Οι βασικές αρχές της μη-ετεροεπιταξιακής προσαρμογής παρουσιάζονται και συγκρίνονται με την ανάπτυξη σε διάφορες περιπτώσεις προσαρμόσιμων υποστρωμάτων GaAs. Ακολούθως, περιγράφουμε τις πειραματικές διαδικασίες και μεθόδους που χρησιμοποιήσαμε κατά τη διάρκεια της διπλωματικής εργασίας. Συγκεκριμένα, αναφερόμαστε στην τεχνική της ηλεκτροχημικής χάραξης για το σχηματισμό των πόρων στα υποστρώματα GaAs, στη μέθοδο ανάπτυξης των υμενίων InGaAs μέσω της οργανο-μεταλλικής επιταξίας ατμών (MOVPE) αλλά και στην προετοιμασία των δειγμάτων ΤΕΜ ενώ παραθέτουμε και τις αρχές για την ανάλυση της παραμόρφωσης της επιταξιακής ανάπτυξης των InGaAs/GaAs δομών. Παράλληλα με τη χρήση της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) μελετάμε τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των πορωδών υποστρωμάτων αλλά και την εξέλιξη των πόρων τους συναρτήσει του χρόνου. Επιπλέον, με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRTEM) παρουσιάζουμε εικόνες ΤΕΜ υψηλής ευκρίνειας στις οποίες έχουμε ταυτοποιήσει τις εξαρμώσεις 60ο. Εκμεταλλευόμενοι τις αναλύσεις που πραγματοποιήσαμε μέσω των μεθόδων ΤΕΜ και περίθλασης ακτίνων – Χ (XRD), υπολογίσαμε την ασυμφωνία (f) μεταξύ των δύο υλικών έτσι ώστε να γνωρίζουμε την πυκνότητα των εξαρμώσεων προσαρμογής στη διεπιφάνειά τους από τις μετρήσεις της απόστασης (p) μεταξύ δύο διαδοχικών εξαρμώσεων. Επιπροσθέτως, υπολογίσαμε την παραμένουσα ελαστική παραμόρφωση και το λόγο της ελαστικής παραμόρφωσης ως προς τη συνολική ασυμφωνία (εr / F) εκφρασμένο σε επί τοις εκατό ποσοστό, βασιζόμενοι στις δύο προαναφερθείσες μεθόδους, απ’ όπου διαπιστώσαμε ότι οι τιμές δεν βρίσκονται σε ικανοποιητική συμφωνία σε όλα τα δείγματα. Αναφορικά με την ελαστική παραμόρφωση, όσο μεγαλύτερη είναι τόσο μικρότερη είναι η πυκνότητα των εξαρμώσεων προσαρμογής που εμφανίζεται στη διεπιφάνεια της δομής όπως επίσης και η πλαστική παραμόρφωση, γεγονός που συνεπάγεται πολύ καλή προσαρμογή στη διεπιφάνεια InGaAs/GaAs, κάτι που αποτελεί το επιθυμητό αποτέλεσμα. Η συσχέτιση ανάμεσα στην ελαστική παραμόρφωση που εμφανίζεται πάνω στο επίπεδο αλλά και εκτός αυτού έδειξε την απουσία της biaxial κατάστασης παραμόρφωσης στα υμένια InGaAs. Ωστόσο, από την ολοκλήρωση της ανάλυσης των πειραματικών αποτελεσμάτων διαπιστώνουμε ότι τα πορώδη υποστρώματα, τα οποία έχουν υποβληθεί στη διαδικασία της ηλεκτροχημικής χάραξης για χρόνο λιγότερο του ενός δευτερολέπτου, μπορούν να επιτύχουν πολύ καλή προσαρμογή σε ετεροδομές που παρουσιάζουν πλεγματική ασυμφωνία. Τα δεδομένα υποστρώματα λοιπόν, μπορούν εύκολα να παραμορφωθούν ανάμεσα στους πόρους και άρα να δεχτούν την ελαστική παραμόρφωση που δημιουργείται στις διεπιφάνειες των συστημάτων, λόγω της πορώδους συμπεριφοράς τους.
description: The present thesis discusses the compliance of InGaAs thin films grown epitaxially on porous GaAs substrates and the influence of the porosity in the restraint of plastic strain which is responsible for the significant density of misfit dislocations (MDs) in the InGaAs/GaAs interface, observed by cross-sectional Transmission Electron Microscopy (TEM) imaging. Firstly, we present a brief introduction of the zinc-blende or sphalerite structure which constitutes the structure of InGaAs and GaAs materials. The basic principles of non-compliant heteroepitaxy are presented and compared to growth on various cases of compliant GaAs substrates. In the second chapter, we describe the experimental procedures and methods that were used in this thesis, i.e. the formation of pores in the GaAs substrates by an electrochemical etching procedure, the metal-organic vapour phase epitaxy (MOVPE) growth technique of the InGaAs epilayers, as well as the preparation of the TEM samples. Moreover, the principles of strain analysis of InGaAs/GaAs heteroepitaxy is presented. Subsequently, the morphological characteristics of the porous substrates and the evolution of pores as a function of time, were studied by Scanning Electron Microscopy (SEM). We also present high resolution TEM (HRTEM) images where we have identified the 60ο dislocations. By the TEM and x-ray diffraction XRD analyses we calculated the misfit strain (f) so as to know the MDs density in the interface through the measurements of spacing (p) between misfit dislocations. Furthermore, we calculated the residual elastic strain and the ratio of elastic strain in total misfit (εr / F)% from TEM and XRD methods where the values were not in a good agreement for all the samples. As much as the elastic strain is high, the MDs density in the interface is low and the plastic strain too and so we have the desirable result which is a very good compliance in InGaAs/GaAs interface. The correlation between the in-plane and out-of-plane elastic strains showed the absence of biaxial strain in InGaAs epilayers. Finally, we concluded that porous substrates with pulse less than 1s can succeed very good compliance in lattice mismatched heterostructures, as they can be easily deformed between the pores and accommodate elastic strains that are generated in systems’ interfaces, due to their porosity.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)