title: Structural analysis of dilute bismide alloys by means of high resolution scanning transmission electron microscopy
title: Structural analysis of dilute bismide alloys by means of high resolution scanning transmission electron microscopy
title: Strukturanalyse von verdünnten Bismiden mittels hochaufgelöster Rastertransmissionselektronenmikroskopie
Creators: name: Knaub, Nikolai
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: dilute bismide alloys
Scanning transmission electron microscopy
Bismut
semiconductor physics, III-V semiconductors
Physics
Physik
Verbindungshalbleiter
Verdünnte Legierung
Raster-Transmissions-Elektronenmikroskopie
Halbleiterphysik

description: Energy efficiency plays a key role
      in the development of new industrial as well as daily life
      applications. There exists a strong demand for a new energy
      efficient generation of optoelectronic devices, especially in
      the growing market of internet data transfer where devices
      operate in the 1.55 µm wavelength regime. A promising
      material system that could face the challenge of efficient
      devices is the dilute Bi containing Ga(AsBi) and the dilute
      bismides in general. The novel material system Ga(AsBi) has
      been proven that the incorporation of dilute Bi amounts
      reduces the bandgap energy. Furthermore, a suppression of
      non-radiative loss mechanisms and a decreased
      temperature-dependency of the emission wavelength could be
      verified which can be described by the valence band anti
      crossing model. Moreover, first electrically pumped Ga(AsBi)
      based laser devices could be fabricated which reveal once
      more the huge potential of dilute bismides. In this work
      structural analysis of MOVPE grown Ga(AsBi), Ga(PAsBi) and
      Ga(NAsBi) on GaAs substrates were carried out by means of
      spherical aberration corrected STEM. In addition to STEM ADF
      measurements, ADF image simulations of Ga(AsBi) supercells
      were performed which allowed the interpretation of the
      measurements as well as the Bi quantification in
      Ga(AsBi)-QWs. Despite STEM measurements, image processing was
      applied for further analysis, i.e., determination and
      separation of the crystal sublattices in HR measurements via
      the MATLAB software. Image processing is mandatory since it
      allows on the one hand a quantification of the Bi fraction in
      Ga(AsBi), and on the other hand a further statistical
      evaluation of the atomic column intensities is possible. The
      results of this work show that STEM is inevitable for the
      characterization of novel semiconductors as well as for the
      detection of atomic ordering. Finally, Bi has the ability to
      distribute homogeneously in dilute Bi-containing materials,
      when MOVPE takes place under optimized growth conditions
      which is very promising for the realization and fabrication
      of new energy efficient semiconductor devices.
description: Für die Entwicklung von neuen
      technischen Anwendungen, spielt die Energieeffizienz eine
      tragende Rolle. So ist die Nachfrage nach neuartigen
      energieeffizienten optoelektronischen Bauelementen sehr groß,
      vor allem im Bereich des Internet-Datentransfers und der
      dafür benötigten Laserdioden mit einer Emissionswellenlänge
      von 1,55 µm. Ein vielversprechendes Materialsystem, welches
      sich zur Herstellung von hocheffizienten Bauelementen eignet,
      ist der verdünnt Bi-haltige Verbindungshalbleiter Ga(AsBi).
      Es ist bekannt, dass der geringe Einbau von Bi in GaAs die
      Bandlücke sowie die Temperaturabhängigkeit der
      Emissionswellenlänge reduziert und zur Unterdrückung von
      nichtstrahlenden Rekombinationsprozessen beiträgt, was mit
      Hilfe des sogenannten Valenzband Anticrossing Models
      beschrieben werden kann. In der Praxis konnte somit zum
      ersten Mal ein elektrisch gepumpter Breitstreifen Ga(AsBi)
      Quantum-well (QW) Laser realisiert werden. Diese Arbeit
      beschäftigt sich mit der Strukturanalyse von Ga(AsBi),
      Ga(PAsBi) und Ga(NAsBi), welche mittels der metallorganischen
      Gasphasenepitaxie (MOVPE, metal organic vapour phase epitaxy)
      hergestellt wurden, wobei das Wachstum der Materialsysteme
      nicht Teil dieser Arbeit war. Die strukturellen
      Untersuchungen erfolgten mit Hilfe von sphärische Aberration
      korrigierter Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM,
      scanning transmission electron microscopy). Die Auswertung
      und Interpretation der STEM Messungen erfolgte unter anderem
      mit Hilfe von Simulationsrechnungen, die an Ga(AsBi)
      Superzellen durchgeführt wurden sowie mittels weiterer
      Datenverarbeitung. Diese erfolgte mit der MATLAB-Software,
      welche die Trennung der Kristalluntergitter in
      Hochauflösungsaufnahmen ermöglichte sowie zur statistischen
      Auswertung der Atomsäulenintensitäten diente. Insgesamt
      zeigen die Resultate dieser Arbeit, dass die
      Rastertransmissionselektronenmikroskopie aus der
      Strukturanalyse und der Charakterisierung von neuartigen
      Halbleitern nicht wegzudenken bzw. notwendig ist. Außerdem
      zeigen die Ergebnisse auch, dass Bi haltige
      Halbleitermaterialien ein hohes Maß an chemischer Homogenität
      aufweisen, was die Realisierung von neuen energieeffizienten
      Halbleiterbauelementen erlauben könnte.