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Dissertation angenommen durch: Gerhard-Mercator-Universität Duisburg,
Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik
und Informationstechnik, 2001-12-07
BetreuerIn: Prof. em. Dr.-Ing. Erich Kubalek , Gerhard-Mercator-Universität
Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik
und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. em. Dr.-Ing. Erich Kubalek , Gerhard-Mercator-Universität
Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik
und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr. rer.nat. Klaus Heime , RWTH Aachen, Fakultät
für Elektrotechnik, Institut für Halbleitertechnik
Schlüsselwörter in Deutsch: Raster-Transmissionselektronenmikroskop
(RTEM), Ordnungszahlkontrast, Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS),
Beugung im konvergenten Elektronenbündel (CBED), Entmischung, Mischungslücke,
Heterostruktur, Übergitter, Maximum-Entropie-Verfahren (MEV)
Schlüsselwörter in Englisch: Scanning Transmission
Electron Microscope (STEM), Z-contrast, electron energy loss spectroscopy
(EELS), convergent beam electron diffraction (CBED), decomposition, miscibility
gap, hetero structure, superlattice, maximum entropy method (MEM) |
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Abstrakt in Deutsch
Die
Verwendung des quaternären Halbleitermaterialssystems GaxIn1-xAsyP1-y
eröffnet die Möglichkeit der Herstellung neuer elektronischer,
optoelektronischer und Mikrowellen-Bauelemente für Anwendungen in
der Telekommunikationstechnik. Unter bestimmten Herstellungsbedingungen
können unerwünschte örtliche Variationen in der chemischen
Zusammensetzung dieser Materialien auftreten, die auf die Existenz der
Mischungslücke zurückzuführen sind. Diese Entmischungsphänomene
treten im Nanometerbereich und darunter auf. Für deren Nachweis sind
daher Charakterisierungsmethoden mit hoher Nachweisempfindlichkeit und
gleichzeitig höchster Ortsauflösung erforderlich, die eine direkte,
unabhängige Untersuchung von Schlüsselparametern wie Schichtdicke,
chemischer Zusammensetzung und Kristallstruktur erlauben. Das Raster-Transmissionselektronenmikroskop
(RTEM) ist für eine solche ortsaufgelöste Materialanalyse prädestiniert,
da es abbildende und analytische Messverfahren mit höchster Ortsauflösung
miteinander vereinigt. Ziel dieser Arbeit war es, eine umfassende qualitative
und quantitative Untersuchung von Entmischungsphänomenen mit Hilfe
der im RTEM zur Verfügung stehenden Messtechniken Hellfeld- und Ordnungszahlkontrastabbildung,
lektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS) und Beugung im konvergenten
Elektronenbündel (CBED), durchzuführen. Erstmals wurden die chemischen
Entmischungsvorgänge im Nanometermaßstab quantifiziert. Der
Verlauf der Entmischung und die theoretisch vorhergesagte Ausdehnung der
Mischungslücke konnte im Experiment bestätigt werden. Außerdem
wurde am Beispiel von verspannungskompensierten Übergittern gezeigt,
dass durch die Optimierung bestimmter Wachstumsparameter der Entmischungsvorgang
gehemmt oder sogar ganz vermieden werden kann. Gleichzeitig sollte zur
Verbesserung der Auswertung von Hochauflösungs-Ordnungszahlkontrastabbildungen
das Maximum-Entropie-Verfahren (MEV) auf die Mikrobilder angewendet werden.
Durch die Anwendung des MEV konnten Hochauflösungs-Ordnungszahlkontrastabbildungen
in Hinblick auf die Untersuchung von Defektstrukturen nutzbar gemacht werden
und es gelang erstmals, beim Materialsystem GaSb in der Rekonstruktion
Doppelatomsäulen aufzulösen (100 kV Beschleunigungsspannung)
Abstrakt in Englisch
The
use of the quaternary semiconductor alloy GaxIn1-xAsyP1-y
for the development of new electronic, optoelectronic or high speed microwave
devices is of great technological interest e.g. in telecommunication. Under
certain manufacturing conditions unwanted variations in the chemical composition
of these materials can occur, which can be attributed to the existence
of a miscibility gap. These decomposition phenomena occur within the nanometer
and subnanometer scale. Therefore it is necessary to use characterisation
methods of high sensitivity and at the same time highest spatial resolution
to investigate independently key parameters such as layer thickness, chemical
composition or crystalline structure. The Scanning Transmission Electron
Microscope (STEM) is suited for such material analyses since it combines
illustrating and analytic characterisation methods together with high spatial
resolution. The goal of this work was a comprehensive qualitative and quantitative
investigation of decomposition in GaxIn1-xAsyP1-y using characterisation
techniques like bright-field and Z-contrast imaging as well as electron
energy loss spectroscopy (EELS) and convergent beam electron diffraction
(CBED), performed in a STEM. For the first time the chemical decomposition
process were quantified on the nanometer scale. The course of the decomposition
and the predicted expansion of the miscibility gap could be acknowledged
in the experiment. Additionally it was shown that by optimising growth
parameters (e.g. pressure) of strain compensated superlattices the decomposition
process could be inhibited or even stopped. At the same time for the improvement
of the evaluation of high resolution Z-contrast images the maximum entropy
method (MEM) was applied. Due to the use of the MEM the high resolution
Z-contrast images permits the investigation of defect structures and for
the first time using a STEM at 100 keV the dumb bells of GaSb was resolved
in maximum entropy reconstruction. |
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