Georg Brockt :

Nano-Charakterisierung struktureller und optischer Eigenschaften von Gruppe-III-Nitrid-Heterostrukturen im Raster-Transmissionselektronenmikroskop (RTEM)

Dissertation angenommen durch: Gerhard-Mercator-Universität Duisburg, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, 2002-04-11

BetreuerIn: Prof. 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. em. Dr.rer.nat. Klaus Heime , RWTH Aachen, Institut für Halbleitertechnik

Schlüsselwörter in Deutsch: GaN, InGaN, Heterostruktur, Übergitter, Raster-Transmissionselektronenmikroskop (RTEM), Ordnungszahlkontrast, Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS), Bandabstand, Permittivität
Schlüsselwörter in Englisch: GaN, InGaN, heterostructure, superlattice, scanning transmission electron microscope (STEM), Z-contrast, electron energy-loss spectroscopy (EELS), bandgab, dielectric function

 
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 29 Physik, Astronomie
 
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Bei der Entwicklung neuer optoelektronischer Bauelemente aus Gruppe-III-Nitrid-Heteroschichten sind Charakterisierungsverfahren erforderlich, die bei höchster Ortsauflösung Informationen über lokale physikalische und chemische Materialeigenschaften liefern. Ziel dieser Arbeit war es, die analytischen RTEM-Techniken zu erweitern und zur technologie-begleitenden Nano-Charakterisierung von III-Nitrid-Heteroschichten einzusetzen. Dazu wurden die Methoden der Elektronenenergieverlust-Spektroskopie (EELS) grundlegend optimiert und eine Analyse-technik bereitgestellt, welche die Messung optischer Materialeigenschaften wie Bandabstand und Permittivität mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich ermöglicht. Die Kombination der RTEM-Techniken EELS, konvergente Elektronenbeugung (CBED) und Ordnungszahl(Z)-Kontrastabbildungen wurde zur Charakterisierung und Optimierung der strukturellen Eigenschaften, Grenzflächengüte sowie chemischen Zusammensetzungen von InGaN-Heteroschichten genutzt. Dabei wurde der Einfluss der Wachstumsparameter bei der Verbesserung der Grenzflächenschärfe von InGaN-Quantentrögen gezeigt. Es konnten nano-skopische Inhomogenitäten des In-Gehaltes direkt mittels Z-Kontrastabbildungen nachgewiesen und durch EELS quantifiziert werden. Systematische Untersuchungen zeigten, wie die Entstehung von V-Defekten in InGaN/GaN-Übergittern durch Temperaturmodulationen während der Epitaxie vermieden werden kann. Zur Bestimmung optischer Daten innerhalb von III-Nitrid-Heteroschichten wurden die optimierten Methoden der EELS eingesetzt. Die Aussagekraft der Messungen wurde durch Vergleiche mit Synchrotronmessungen und theoretischen Bandstrukturdaten demonstriert. Aufgrund der hohen Ortsauflösung konnten die optischen Eigenschaften lokaler Separationseffekte und Defekte in III-N-Schichten gemessen und mit chemischen sowie strukturellen Eigenschaften korreliert werden.

Abstrakt in Englisch

The development of new optoelectronic devices using group-III-nitride-heterostructures requires characterization techniques which give spatially resolved information about the local physical and chemical material properties. The goal of this work was the improvement of analytical STEM-techniques and its application on nano-characterization of III-N-heterostructures. The optimization of electron energy-loss spectroscopy provides a measurement techniques which yields spatially resolved information about bandgap energy and dielectric function on a nanometer scale. A combination of STEM-techniques like EELS, convergent electron diffcration (CBED) and Z-contrast imaging was used to characterize and improve structural properties, interfaces and chemical composition of InGaN-layers. The influence of growth parameters on the enhancement of interface sharpness was demonstrated. Additionally nanoscale fluctuations of the In-content could be proved by Z-contrast imaging and quantified by EELS. It was shown how v-defects in InGaN/GaN-superlattices can be eliminated by modulating the growth temperature during epitaxial growth. The improved EELS-techniques were used for measuring optical properties within III-N-heterostructures. The significance of the results could be demonstrated by a comparison to synchrotron measurements and bandstructure calculations. Due to the high spatial resolution optical properties of local separations and defects could be measured and correlated to chemical and structural properties.