title: Quantitative Evaluation der Schnittstellen in III/V Halbleitern mit Rasterdurchstrahlungselektronenmikroskopie
title: Quantitative Evaluation of the Interfaces in III/V Semiconductors with Scanning Transmission Electron Microscopy
Creators: name: Han, Han
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Kontrastsimulation , Auswertungsmethode
Physics
Physik

description: In order to understand the
      principles of HAADF imaging and also to implement the
      contrast simulations efficiently and effectively, simulations
      about HAADF imaging are carried out. The results clearly show
      that TDS can significantly influence the collected intensity
      at the detector. In order to include TDS during the
      simulation in this study, frozen phonon approach can be
      applied. Frozen phonon considers TDS through averaging HAADF
      images calculated from different atom configurations. To save
      computing time and resources, the influences of the number of
      phonon configurations on simulated image intensities are
      investigated. It is proven that 15 phonon configurations is
      enough to pro- vide a robust result for the multi slice
      simulation within a reasonable computing time. In addition,
      intensities of group III and group V atomic columns together
      with back- ground positions for GaAa, GaP, (Ga0.5In0.5)P are
      calculated to investigate the origin of background intensity
      and its influences on individual sublattice intensities. Two
      quantitative evaluation methods, namely Q-method and BIMS,
      are introduced in this study. They have been successfully
      applied to characterize material systems with both the
      non-chemically sensitive background and the chemically
      sensitive background, respectively. With respect to the
      (GaIn)As/GaAs material systems with non-chemically sensitive
      backgrounds, Q-method is applied. To obtain trustable
      results, a 2-dimensional thickness gradient correction is
      performed, and the influences of factors (such as cross talk,
      strain relaxation, projection effect), which can
      significantly affect the characterization, are also
      discussed. To make fair comparisons between different
      samples, two criteria to determine the interface abruptness,
      namely 90/10 evaluation approach and error function fitting
      approach, are given and applied for all the samples
      investigated in the current study. In addition, the chemical
      homogeneity of the QW is also introduced as a characteristic
      for evaluation. Followed by the introduction of these
      fundamental properties, the influences of growth conditions,
      like growth temperature, growth interruption temperature and
      time, on the chemical composition and on the interface
      abruptness are investigated. For samples with the same growth
      and growth interruption temperature, it can be stated that
      the growth temperature of (GaIn)As can strikingly influence
      the indium dis- tribution at both the QW and the interface.
      Growth at 625 ◦C leads to an inhomogeneous indium
      distribution at the QW as well as an intermixed interface.
      Meanwhile, the ap- plication of growth interruptions can
      significantly homogenize the indium distribution at both the
      QW and the interface. Through the comparison with
      simulations, the bottom interfaces of (GaIn)As grown on GaAs
      are shown to be abrupt. Therefore, for samples with different
      growth and growth interruption temperatures, only the top
      interfaces of (GaIn)As are investigated. Besides the above
      mentioned results, it can be concluded that an abrupt
      interface, generated at low temperature (525 ◦C), can be
      easily degenerated into an intermixing interface with a high
      interruption temperature of 625 ◦C. Similarly, an intermixed
      interface, formed at 625 ◦C, can also be improved by growth
      interruption at 525 ◦C. With respect to the (GaIn)P/GaAs
      material systems with chemically sensitive back- grounds, the
      above mentioned method can not be applied any more. As a
      result, BIMS, based on Q-method, is developed. The image
      background intensity and its influences on quantitative
      evaluation of the chemical composition are presented. It is
      found that the chemical composition characterization across
      the interface is impossible, if the image background
      intensity is not subtracted from the original image. With
      this method, the atomic resolution after background intensity
      subtraction can be kept for further evalua- tion. As
      expected, composition depth profiles and interface morphology
      strongly depend on the growth conditions. A reduction of the
      growth temperature from 625 ◦C to 525 ◦C can lead to a more
      abrupt heterointerface. The introduction of a GaP interlayer
      can improve the interface morphology. Nonetheless, this
      interlayer also results in an increased separation between
      the constituent QW and the barrier. With this method, the
      existence of an island-like structure at the interface can be
      shown and analyzed quantitatively. In the current study, the
      determination of the chemical composition map is based on a
      linear assumption between the collected intensity of the
      atomic column and its chemical concentration. Although the
      quantitative evaluation of the interface morphology and
      chemical homogeneity of the QW is hardly influenced by the
      assumption, it is still of great importance to derive the
      exact chemical composition of each atomic column, especially
      at the interface, in order to better control the lattice
      constant and the band gap. To aid these processes, a massive
      number of simulations of (GaIn)As super cells with different
      indium compositions needs to be carried out. Then a
      five-dimensional database can be created, which is composed
      of x, y, z space dimensions, one compositional dimension as
      well as one dimension of the collection angle covering both
      high and low angle ranges. Based on the database, the
      relationship between the sublattice intensity and the
      corresponding chemical composition can be derived and applied
      for the calculation of the chemical composition of individual
      atomic columns with great accuracy. In this study, only
      electron signals from high angles are made use of to carry
      out the quantitative evaluation. With the database, electrons
      scattered at low angles can also be used for the analysis. It
      is found that the image background intensity can
      significantly influence the quanti- tative evaluation of
      chemical composition maps. In fact, the image background
      intensity can also be used to determine the local sample
      thickness and the chemical composition of corresponding
      atomic columns, since it depends on both the thickness and
      the average atomic number of the crystal. Therefore, the
      calculated background intensity map in this study can be
      converted into a thickness map or a chemical composition map.
      To fulfill the purpose, background intensities of
      experimental images needs to be compared with those of the
      five-dimensional database. Then, a thickness map or a
      chemical composition map can be derived.
description: Um die Prinzipien der
      HAADF-Bildgebung zu verstehen und um die Kontrastsimula-
      tionen effizient und effektiv umzusetzen, werden Simulationen
      der HAADF-Bildgebung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen
      deutlich, dass TDS die gesammelte Intensität am Detektor
      signifikant beeinflussen kann. Um TDS während der Simulation
      in diese Studie einzubeziehen, kann die ”frozen-phonon”
      Methode angewendet werden. Dieses Modell betrachtet TDS durch
      Mittelung der HAADF-Bilder, die aus verschiedenen Atomkonfig-
      urationen berechnet wurden. Um Rechenzeit und Ressourcen zu
      sparen, werden die Ein- flüsse der Anzahl der
      Phonon-konfigurationen auf simulierte Bildintensitäten
      untersucht. Es wird gezeigt, dass 15 Phonon-Konfigurationen
      ausreichen, um ein robustes Ergeb- nis für die ”multi-slice”
      Simulation innerhalb einer vernünftigen Rechenzeit zu
      liefern. Darüber hinaus werden die Intensitäten der
      Atomsäulen der Gruppe III und der Gruppe V zusammen mit den
      Hintergrundpositionen für GaAa, GaP, (Ga0,5In0,5)P berechnet,
      um den Ursprung der Hintergrundintensität und ihre Einflüsse
      auf einzelne Untergitterinten- sitäten zu untersuchen. In
      dieser Studie werden zwei quantitative Auswertungsmethoden,
      nämlich Q-Methode und BIMS, eingeführt. Sie werden
      erfolgreich angewendet, um Materialsysteme sowohl mit dem
      nicht chemisch sensitiven Hintergrund als auch mit dem
      chemisch sensitiven Hintergrund zu charakterisieren. In Bezug
      auf die (GaIn)As/GaAs-Materialsysteme mit nicht von der
      Komposition ab- hängige Hintergründen wird die Q-Methode
      angewendet. Um vernünftige Ergebnisse zu erzielen, wird eine
      zweidimensionale Dickengradientenkorrektur durchgeführt und
      die Einflüsse der Faktoren (wie ”cross talk”,
      Spannungsrelaxation, Projektionseffekt), die die
      Charakterisierung erheblich beeinträchtigen können, werden
      ebenfalls diskutiert. Um einen fairen Vergleich zwischen
      verschiedenen Stichproben herzustellen, werden zwei Kri-
      terien zur Bestimmung der Rauigkeit der Grenzflächen, nämlich
      die 90/10-Auswertungs- Methode und Fehlerfunktion Fit
      Methode, für alle in der aktuellen Studie untersuchten Proben
      angewendet. Darüber hinaus wird die chemische Homogenität des
      QW als Merk- mal für die Auswertung eingeführt. Gefolgt von
      der Einführung dieser fundamentalen Eigenschaften werden die
      Einflüsse von Wachstumsbedingungen wie Wachstumstemper- atur,
      Wachstumsunterbrechungstemperatur und -zeit auf die chemische
      Zusammenset- zung und auf die Grenzflächenablauf untersucht.
      Bei Proben mit der gleichen Wachstums- und
      Wachstumsunterbrechungstemperatur, kann festgestellt werden,
      dass dieWachstumstemperatur von (GaIn)As die
      Indium-Verteilung sowohl im QW als auch an der Grenzfläche
      auffallend beeinflussen kann. Das Wachstum bei 625 ◦C führt
      zu einer inhomogenen Indium-Verteilung im QW sowie einer
      vermis- chten Grenzfläche. Die Anwendung der
      Wachstumsunterbrechungen kann die Indium- Verteilung sowohl
      im QW als auch an der Grenzfläche signifikant homogenisieren.
      Durch den Vergleich mit Simulationen wird gezeigt, dass die
      unteren Grenzflächen von (GaIn)As auf GaAs abrupt sind. Daher
      werden bei Proben mit unterschiedlichen Wachstums- und
      Wachstumsunterbrechungstemperaturen nur die oberen
      Grenzflächen von (GaIn)As un- tersucht. Neben den oben
      erwähnten Ergebnissen kann man darauf schlie�en, dass eine
      abrupte Grenzfläche, die bei niedriger Temperatur (525 ◦C)
      erzeugt wird, mit einer ho- hen Unterbrechungstemperatur von
      625 ◦C leicht zu einer vermischten Grenzfläche wird. Ähnlich
      kann eine vermischte Grenzfläche, die bei 625 ◦C gebildet
      wird, auch durchWach- stumsunterbrechung bei 525 ◦C
      verbessert werden. In Bezug auf die
      (GaIn)P/GaAs-Materialsysteme mit Komposition abhängige
      Hinter- gründen kann das erwähnte Verfahren nicht mehr
      angewendet werden. Daher wird BIMS, basierend auf Q-Methode,
      entwickelt. Die Bildhintergrundintensität und ihre Einflüsse
      auf die quantitative Auswertung des chemischen Komposition
      werden eingeführt. Es wird festgestellt, dass die Bestimmung
      der chemischen Komposition über die Grenzfläche un- möglich
      ist, wenn die Bildhintergrundintensität nicht von dem
      Originalbild subtrahiert wird. Mit dieser Methode kann die
      atomare Auflösung nach der Hintergrundintensitäts-
      Subtraktion zur weiteren Auswertung beibehalten werden. Wie
      erwartet, hängen Kom- positionstiefenprofile und
      Grenzflächenmorphologie stark von den Wachstumsbedingun-gen
      ab. Eine Verringerung der Wachstumstemperatur von 625 ◦C auf
      525 ◦C kann zu eine abrupten Heterogrenzfläche führen. Die
      Einführung einer GaP-Zwischenschicht kann die
      Grenzflächenmorphologie verbessern. Trotzdem führt diese
      Zwischenschicht auch zu einer erhöhten Trennung zwischen dem
      konstituierenden QW und der Barriere. Mit dieser Methode kann
      die Existenz einer inselförmigen Struktur an der Grenzflächen
      gezeigt und quantitativ analysiert werden. In der aktuellen
      Studie basiert die Bestimmung der chemischen Kompositions auf
      der Annahme dass zwischen der integrierten Intensität der
      Atomsäulen und ihrer chemis- chen Komposition eine linear
      Beziehung besteht. Obwohl die quantitative Auswertung der
      Grenzflächenmorphologie und der chemischen Homogenität des QW
      kaum von dieser Annahme beeinflusst wird, ist es immer noch
      sehr wichtig, die genaue chemische Kompo- sition jeder
      Atomsäule, insbesondere an der Grenzfläche, abzuleiten, um
      die Gitterkon- stante und die Bandlücke besser kontrollieren
      zu können. Um dies zu unterstützen, muss eine große Anzahl
      von Simulationen von (GaIn)As-Superzellen mit
      unterschiedlichen In- dium Gehalt durchgeführt werden. Dann
      kann eine fünfdimensionale Datenbank erstellt werden, die aus
      den Raumdimensionen x, y, z, der Komposition Dimension sowie
      der Di- mension des Detektorwinkels besteht, die sowohl hohe
      als auch niedrige Winkelbereiche abdeckt. Basierend auf der
      Datenbank kann die Beziehung zwischen der Untergitterinten-
      sität und der entsprechenden chemischen Komposition
      abgeleitet und für die Berechnung der chemischen Komposition
      einzelner Atomsäule mit großer Genauigkeit angewendet werden.
      In dieser Studie werden nur Elektronensignale unter hohen
      Winkeln verwen- det, um die quantitative Auswertung
      durchzuführen. Mit der Datenbank können auch Elektronen, die
      in niedrige Winkeln gestreut werden, für die Analyse
      verwendet werden. Es wird festgestellt, dass die
      Bildhintergrundintensität die quantitative Bewertung der
      chemischen Kompositions signifikant beeinflussen kann.
      Tatsächlich kann die Bildhinter- grundintensität auch
      verwendet werden, um die lokale Probendicke und die chemische
      Komposition der entsprechenden Atomsäulen zu bestimmen, da
      sie sowohl von der Dicke als auch von der durchschnittlichen
      Atomzahl des Kristalls abhängt. Daher kann die berechnete
      Hintergrundintensitätskarte in dieser Studie in eine
      Dickenkarte oder eine Kompositionskarte umgewandelt werden.
      Um dies zu erreichen, müssen Hintergrundin- tensitäten der
      experimentellen Bilder mit denen der fünfdimensionalen
      Datenbank ver- glichen werden. Dann kann eine Dickenkarte
      oder eine Kompositionskarte abgeleitet werden.