title: Structural characterization of antimonide-based metamorphic buffer layers on (001) silicon substrate
title: Strukturelle Untersuchung von Antimon-basierten metamorphen Pufferschichten auf (001) Siliziumsubstrat
title: Strukturelle Untersuchung von Antimon-basierten metamorphen Pufferschichten auf (001) Siliziumsubstrat
Creators: name: Ott, Andrea
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: GaSb
metamorphic growth
Halbleiter, Physik,
Lomer dislocations,strain
Elektronenmikroskopie
Physics
Physik
Verspannung
Ga(PSb), Ga(AsSb)
electron microscopy
Metamorphes Wachstum
semiconductor
Lomer Versetzungen

description: The aim of the present study was
      the growth of antimony-based buffer layers with the lattice
      constant of InP on a GaP/Si pseudosubstrate by metal organic
      vapor phase epitaxy (MOVPE) and their structural
      investigation by atomic force microscopy (AFM), X-ray
      diffraction (XRD), and (scanning) transmission electron
      microscopy ((S)TEM). The purpose of these buffer layers was
      to overcome the lattice mismatch between Si and InP and to
      provide a smooth surface for the growth of n-doped (GaIn)As
      channel layers with a lattice constant of InP on a Si
      substrate. The growth of Sb-based buffer layers on GaP/Si
      pseudosubstrate is very challenging. The main problem was the
      island-like nucleation that occurs for Ga(PSb), Ga(AsSb) as
      well as GaSb on GaP/Si. The islands had different degrees of
      relaxation. The atomic resolution HAADF investigations have
      shown that the islands not only have Lomer but also 60°
      dislocations and 60° dislocation pairs at the interface.
      Additionally, they were relaxed by plastic relaxation due to
      the free surface as well as by the formation of stacking
      faults. It has been shown that the interface roughness
      increases for the ternary material system Ga(PSb)/GaP
      compared to the binary GaSb/GaP and is most severe for the
      Ga(AsSb)/GaP, where the group V atoms are completely
      exchanged from P to (AsSb). With increasing growth time, the
      sizes of the islands increased until they coalesced. The
      degree of relaxation increased with an increasing degree of
      coalescence. The density of stacking fault as well as
      threading dislocation densities were in the order of
      10^10/cm^2. In addition, a low Sb-content layer that grew
      pseudomorphically onto GaP was observed for Ga(PSb) layers.
      The island-like nucleation of Ga(PSb) could neither be
      overcome by introducing a pseudomorphically grown Ga(PSb)
      interlayer with a low Sb-content between the metamorphic
      Ga(PSb) and the GaP layer nor by utilizing a flow rate
      modulated epitaxy. The most promising approach had been the
      introduction of an InP layer that showed a 2D-nucleation on
      the GaP/Si pseudosubstrate. If the growth conditions are
      optimized so that the relaxation of the layer will take place
      without the formation of lattice defects such as stacking
      faults or threading dislocations, the InP/GaP/Si
      pseudosubstrate will be a very promising growth template for
      the (GaIn)As channel layers.
description: Ziel der vorliegenden Arbeit war
      das Wachstum von Antimon-basierten Puffer Strukturen mit der
      Gitterkonstante von InP auf einem GaP/Si Pseudosubstrat
      mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) und die
      anschließende strukturelle Untersuchung mit
      Rasterkraftmikroskopie (AFM), hochauflösender Röntgenbeugung
      (XRD) und (Raster-)Transmissionselektronenmikroskopie
      ((S)TEM). Der Zweck dieser Puffer war die Überbrückung der
      Gitterfehlanpassung zwischen Si und InP, sodass eine homogene
      Oberfläche für das Wachstum von n-gedopten (GaIn)As
      Kanalschichten mit der Gitterkonstante von InP auf einem
      Siliziumsubstratrat zur Verfügung steht. Das Wachstum von
      Sb-basierten Pufferschichten auf GaP/Si Pseudosubstrat ist
      mit vielen Herausforderungen verbunden. Das Hauptproblem lag
      in der Inselnukleation von GaSb, Ga(PSb) sowie Ga(AsSb) auf
      dem gewählten Substrat. Diese Inseln hatten jeweils
      verschiedene Relaxationsgrade. Die hochauflösenden
      Z-Kontrastbilder haben gezeigt, dass die Inseln nicht nur
      durch die Lomer-Versetzungen, sondern auch durch 60°
      Versetzungen und 60° Versetzungspaare an der Grenzfläche
      ausbilden. Zusätzlich relaxieren die Inseln über plastische
      Relaxation aufgrund der freien Oberfläche, sowie dem Einbau
      von Stapelfehlern. Es wurde außerdem gezeigt, dass die
      Grenzflächenrauigkeit für Ga(PSb)/GaP im Vergleich zum
      binären GaSb/GaP Materialsystem zunahm und der Ga(AsSb)/GaP
      Grenzfläche, wo die Gruppe V Atome von P zu (AsSb) komplett
      ausgetauscht werden, am ausgeprägtheiten war. Mit zunehmender
      Wachstumszeit nimmt die Größe der Inseln zu, bis sie eine
      geschlossene Schicht bilden. Dabei nimmt der Relaxationsgrad
      mit wachsender Geschlossenheit der Schicht zu und die
      Größenordnung für die Dichte an Stapelfehlern und
      Fadenversetzungen lag bei 10^10/cm^2. Zusätzlich wurden in
      Ga(PSb) Schichten Kristallbereiche mit geringen Sb-Gehalt,
      die pseudomorph an der Grenzfläche zu GaP wuchsen,
      beobachtet. Die inselartige Nukleation von Ga(PSb) konnte
      weder durch die Anwendung eines gepulsten Wachstumsmodus noch
      durch das Einschieben einer pseudomorph gewachsenen Ga(PSb)
      Zwischenschicht mit einem geringen Sb-Gehalt zwischen der
      metamorph gewachsenen Ga(PSb) Pufferschicht und der GaP
      Schicht überwunden werden. Der vielversprechendste Ansatz zur
      Herstellung einer hochqualitativen Pufferschicht war die
      Einführung einer InP Schicht. Diese zeigte eine 2D-Nukleation
      auf dem GaP/Si Pseudosubstrat. Wenn die Wachstumsbedingungen
      so optimiert würden, dass die Relaxation der InP Schicht ohne
      die Bildung von Defekten wie Stapelfehlern oder
      Fadenversetzungen vonstattengeht, dann wäre das InP/GaP/Si
      Pseudosubstrat eine vielversprechende Grundlage für das
      Wachstum von (GaIn)As Kanalschichten.