Kai Zhang, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :
PACS: 68.65.+g; 68.55.JK; 61.10.Eq; 81.15.Hi; 61.10.-i; 61.72.-y; 68.35.Ct.
Kurzfassung
Selbstorganisierte InAs Quantenpunkte (QDs) mit Abmessungen von
wenigen 10 Nanometern (nm) und mit Atom-ähnlichen
null-dimensionalen Elektronenzuständen haben potentielle
Anwendungen in Bauelementen der Halbleiter-Optoelektronik. Die
strukturellen Eigenschaften solcher Systeme sind von wesentlicher
Bedeutung und beeinflussen entscheidend die opto-elektronischen
Eigenschaften der Quantenpunkte. In der vorliegenden Arbeit liegt
das Hauptaugenmerk auf Methoden zur strukturellen
Charakterisierung, mit denen die strukturellen Eigenschaften von
InAs QDs, wie Anordnung, Form, Komposition und Verspannung
ermittelt werden können.
Quantitative Röntgendiffraktion und Rasterkraftmikroskopie
(Atomic Force Microscopy, AFM) wurden an selbstorganisierten InAs
QDs durchgeführt, die durch Molekular-Strahl-Epitaxie (MBE)
gewachsen wurden. Es wurde Elektronenbeugung (RHEED) ver-wendet,
um das Wachstum und die Dicke der InAs-Schichten zu
kontrol-lieren. Wir finden, daß die InAs-Schichtdicke für ein
homogenes InAs QD Wachstum auf 2.3 ML begrenzt ist, und daß bei
höheren Bedeckungen Sätti-gungseffekte der Dichte der QD
mittels AFM beobachtet werden können.
Mit Röntgenstreuexperimenten bei streifendem Einfall (grazing
incidence small angle x-ray scattering GISAXS) werde deutliche,
nicht spekulare Satellitenpeaks beo-bachtet, die auf eine laterale
Ordnung der InAs Quantenpunkte hinweisen. Der mittlere Abstand
zwi-schen den QD und die Korrelationslängen der lateralen
Verteilung sind ani-sotrop. Wir stellen fest, daß die
Verteilung der QD in Richtung [110] am regelmäß ig-sten ist.
Auß erdem beobachten wir zusätzliche breite Peaks in der
Streuintensität bei größ eren Winkeln, die durch reziproke
Gitterstäbe senkrecht in den InAs QD Facetten induziert werden.
Das ermöglicht uns, die QD-Form als abgeflachte Pyramide mit
oktago-na-ler Basis zu bestimmen.
Die Technik der Röntgenstreuung (Grazing incidence x-ray
diffracting, GIXRD) bei streif- endem Einfall erlaubt die
Bestimmung des Verspannungszustandes innerhalb der InAs QDs. Die
Verspannung als treibende Kraft für die Bildung von InAs QD
zeigt sich experimentell in allen gemessenen Proben als elastisch
mit unterschiedlichen Komponenten. Auß erdem findet sich ein
kleiner Volumenanteil von relaxiertem InxGa1-xAs in
Proben mit niedrigem Arsenfluß.
Zusätzlich ist die atomare Struktur an der Grenzfläche eines
vergrabenen ultradünnen InAs Films ein wichtiges Element für
die opto-elektronischen Eigenschaften der durch
heteroepitaktisches MBE-Wachstum hergestellten InAs Quantenwells.
Wir charakteri-sieren die Struktur der Grenzfläche mit einer
Kombination aus Techniken der Röntgenuntersuchungen, wie
Reflektion unter streifen-dem Einfall (grazing incidence x-ray
reflectivity, GIXR), Crystal Truncation Rod (CTR) und x-ray
standing wave (XSW). Mit GIXR und CTR-Experimenten wurde die
durchschnittliche Schichtdicke, die Rauhigkeit der Grenzfläche
und die Stoichiometrie der InAs-Schichten bestimmt.
XSW-Experimente bestimmen die Position der In-Atome im Gitter
sowie die vertikale Verteilung an der Grenzfläche.
Self-assembled InAs quantum dots (QDs) with a few 10 nanometer (nm) size and atomic-like zero-dimensional electron states have prospective applications in semiconductor opto-electronic devices. Structural features in such system are essential and highly influence the opto-electronic properties of the dots. In the present work, we focus on methods for structural characterization to evaluate structure properties of InAs QDs, such as ordering, shape, composition and strain status. Quantitative x-ray diffraction and atomic force microscopy (AFM) experiments have been performed on self-assembled InAs QDs grown by molecular-beam epitaxy (MBE). In situ RHEED was utilized to control the InAs coverage. We find InAs deposited for homogeneous InAs QD growth is limited to be 2.3 ML, beyond which saturation effects of the dot number density are observed by AFM. >From grazing incidence small angle x-ray scattering (GISAXS) we find pronounced nonspecular diffuse scattering satellite peaks, indicating a lateral ordering in InAs QD distribution. Mean dot-dot distances and correlation lengths of the dot lateral distribution are found to be anisotropic. We determine the most pronounced ordering of dot distribution in [110] direction. Moreover, we observe additional broad intensity peaks induced by the truncation rod intensity of InAs QD facets that enable us to reveal the QD shape as a truncated octagonal-based pyramid. The grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD) technique allows determination of strain status inside the InAs QDs. Strain as a driving force for InAs QD formation, is revealed experimentally to be elastic with different components in all measured samples. Furthermore, a small volume fraction of relaxed InxGa1-xAs is found in samples with relative low As-flux. In addition, the atomic structure at the interface of buried InAs ultra-thin films is a dominant element for opto-electronic properties of InAs quantum wells fabricated by hetero-epitaxy of MBE growth. We structurally characterize the interface by using the combination of grazing incidence x-ray reflectivity (GIXR), crystal truncation rod (CTR) and x-ray standing wave (XSW) techniques. GIXR and CTR experiments were utilized to determine the average layer thickness, interface roughness, and the stoichiometry of the InAs layer. XSW experiments determine the In lattice site and vertical distribution at the interface.