In den letzten Jahren haben die Fortschritte bei der Herstellung von mikroskopischen Inselstrukturen auf der Nanometer-Skala durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) ein wachsendes Interesse der Industrie an diesen Strukturen hervorgerufen, die aufgrund von Quanten-Confinement-Effekten als Grundelemente für moderne optische Halbleiter-Bauteile verwendet werden können.
Zurzeit basieren die vielversprechendsten MBE - kompatiblen Quantenpunkt -Systeme auf III-V- Verbindungshalbleitern. Aufgrund der technologischen Besonderheiten beziehen sich die meisten Forschungsaktivitäten auf das selbstorganisierte Wachstum von InAs-Quantenpunkten auf GaAs(001)- und AlAs(001)-Oberflächen mit Hilfe der 3D-Stranski-Krastanov (SK)-Wachstumsmode. Bei den oben genannten Inselsystemen zeigen die hergestellten Quantenpunkte starke grössenabhängige Variationen in ihren elektronischen Eigenschaften.
Das wichtigste noch nicht behobene Problem für die Massenproduktion von III-V-Quantenpunkten ist die unzuverlässige technologische Ausbeute aufgrund der schlecht kontrollierbaren Eigenschaften der hergestellten Strukturen. Der Grund hierfür ist der komplizierte und nicht gut verstandene Selbstorganisationsprozess beim Wachsen von Quantenpunkten. In den oben genannten Systemen sind die Oberflächenmorphologie sowie die elektronischen Eigenschaften stark abhängig von den Wachstumsparametern. Weiterhin sind InAs/GaAs(001)- und InAs/AlAs(001)-Inselsysteme in ihren Wachstumseigenschaften sehr verschieden.
Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden die Quantenpunkt-Systeme InAs/GaAs(001) und InAs/AlAs(001) mit Hilfe von Synchrotron-Röntgenbeugungsmethoden und komplementären Verfahren (Rasterkraft- und Rastertunnel-Mikroskopie) untersucht.
Das zentrale Thema dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung und Erprobung von Röntgenmethoden für die zuverlässige Untersuchung der Topographie und kristallinen Struktur von auf Standard-Substrat-Wafern gewachsenen Inselsystemen. Parallel zu den experimentellen Röngenbeugungsuntersuchungen werden Finite-Elemente-Berechnungen von Insel-Verspannungsfeldern durchgeführt. Temperaturabhängige Inselbildungsmechanismen für beide nicht vergrabene Quantenpunkt-Systeme werden analysiert. Abschliessend werden im letzten Kapitel die Material-Intemixing-Effekte in gleichen, aber überwachsenen Systemen untersucht.
Within the last decade significant progress in the fabrication of nanoscale island systems using molecular beam epitaxy (MBE) techniques has stimulated the increased industrial interest in these structures as building blocks for modern optical devices exploiting quantum confinement effects.
At the present time the most promising MBE-compatible island systems are based on III-V compound semiconductors. For technological reasons most activities now concentrated on the self-organized formation of InAs based quantum dots on the GaAs(001) and AlAs(001) surfaces exploiting the 3D Stranski-Krastanov (SK) growth. For these systems the produced quantum dot structures exhibit a pronounced size-dependent variations of the electronic properties.
The main obstacle for the bulk production of III-V quantum dot based devices is the unreliable technological yield. The reason for this is the complicated and not well understood self organization process that is used to generate the nanostructures.
In the systems of interest the topographical quality and electronic properties of SK-islands depend strongly on the deposition conditions. Furthermore, InAs/GaAs(001) and InAs/AlAs(001) island systems have quite different characteristics.
In this thesis the InAs/GaAs(001) and InAs/AlAs(001) systems will be analysed by means of synchrotron based X-ray diffraction tools and complementary imaging techniques (atomic force and scanning tunnelling microscopy). The central topic of the thesis is the development and testing of X-ray diffraction based techniques for reliably monitoring island topography, and island structure analysis for island systems grown on standard wafers.Finite-element calculations of the strain fields in the island structures have been performed in parallel with the X-ray diffraction studies.
The investigation of temperature dependent material supply mechanisms responsible for island formation will be provided for both non-capped island systems. Finally the intermixing in both capped systems will be discussed.