The Use of Synchrotron Radiation to study Overgrowth Phenomena in InAs/GaAs Nanostructures

Sztucki, Michael (2004): The Use of Synchrotron Radiation to study Overgrowth Phenomena in InAs/GaAs Nanostructures. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

This work focuses on the investigation of overgrowth phenomena in InAs/GaAs nanostructures using synchrotron radiation. Surface-sensitive grazing incidence small angle x-ray scattering (GISAXS) and grazing incidence diffraction (GID) are applied to study shape, strain, and interdiffusion in self-organised grown nanostructures. The technique of anomalous x-ray diffraction at the weak (200) superstructure reflection enhances the chemical sensitivity of the measurements. For the investigation of (partially) buried nanostructures finite-element simulations (FEM) have been performed. The following sample systems were investigated: ((1)) Free-standing and buried InGaAs quantum dots: Free-standing In(x)Ga(1-x)As islands grown on GaAs (001) by molecular beam epitaxy (MBE) with a nominal concentration of x=0.5 have been investigated. Contrast variation close to the K edge of As by anomalous GID at the (200) superstructure reflection is used for a direct determination of the InAs concentration as a function of the lateral strain in the quantum dots (QDs). The evaluation of intensity mappings recorded in reciprocal space close to the (200) reflection together with atomic force micrographs (AFM) allows to attribute the strain and the InAs concentration to a certain height in the quantum dots. Thereby, a three-dimensional model of the strain and interdiffusion profile of the InGaAs QDs can be reconstructed. A discussion of measurements taken on buried InGaAs QDs and free-standing islands grown on the strain modulated surface of a buried QD layer shows the limits of this technique. ((2)) InGaAs quantum rings: The formation of nanoscopic InGaAs ring structures on a GaAs (001) substrate takes place when InAs quantum dots, grown by Stranski-Krastanov self-organisation, are covered by a thin layer of GaAs. The shape transformation into rings is governed by strain, diffusion and surface tension, quantities which are of importance to understand magneto-optical and electronic applications of the rings. GISAXS and GID is applied to characterise morphology and structural properties such as strain and chemical composition of the rings in three dimensions. From GISAXS the shape is found to be of circular symmetry with an outer radius of 26nm, a height of 1.5nm, and a hole in the middle, in good agreement with AFM measurements. The most surprising results are obtained from intensity mappings in reciprocal space close to the (220) and (2-20) reflection done in surface sensitive GID geometry. From a comparison of the intensity maps with FEM model calculations the InGaAs interdiffusion profile in the ring is determined. It strongly depends on the crystallographic orientation. In the ring a maximum InAs concentration of more than 80% along [1-10] is found while along [110] it is below 20%. This is explained by the preferred diffusion of In along [1-10]. ((3)) Quantum wires formed by cleaved edge overgrowth: Quantum wires (QWRs) fabricated by the cleaved edge overgrowth (CEO) technique use tensile strain to confine the charge carriers to one dimension. The cleaved edge of a pseudomorphically strained In0.1Al0.9As/Al0.33Ga0.67As superlattice (SL) is overgrown by a GaAs layer of 10nm thickness. The lateral charge carrier localisation in the overgrown layer is induced by the periodic strain modulation of the SL. Using GID this strain state of the system is determined. The strain modulation due to the overgrown superlattice occurs only within 3micron of the total wafer thickness of 150micron. The GID technique allows for a clear separation of the strain modulation in the cap layer and the superlattice underneath. It can be proved that the strain modulation in the GaAs cap layer is not of compositional origin but purely elastic with an average lattice parameter change of (0.8+-0.1)% with respect to relaxed GaAs. The strain profile obtained is confirmed by FEM model calculations.

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit methodischen Entwicklungen zur Untersuchung von Strukturänderungen beim Überwachsen von InAs/GaAs Nanostrukturen mittels Synchrotronstrahlung. Die oberflächenempfindlichen Methoden der Röntgen-Kleinwinkelstreuung (GISAXS) und der Röntgenbeugung unter streifendem Einfall (GID) ermöglichen es, Form, Verspannung und Interdiffusion in selbst-organisierten Nanostrukturen zu studieren. Die Methode der anomalen Röntgenbeugung am schwachen (200) Überstrukturreflex erhöht die chemische Empfindlichkeit der Messungen. Zur Untersuchung von (teilweise) vergrabenen Nanostrukturen wurden Finite-Elemente-Simulationsrechnungen (FEM) durchgeführt. Im Einzelnen wurden folgende Probensysteme untersucht: ((1)) Freistehende und vergrabene InGaAs Quantenpunkte: Anomale Röntgenbeugung am (200) Überstrukturreflex wurde zur Charakterisierung von freistehenden In0.5Ga0.5As Inseln, hergestellt mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE), verwendet. Durch die Kontrastvariationsmessungen nahe der K Absorptionskante von As kann die InAs Konzentration direkt als Funktion des lateralen Gitterparameters der Quantenpunkte bestimmt werden. Die Auswertung von 2D-Kartierungen des reziproken Raumes nahe des (200) Reflexes zusammen mit Rasterkraftmikroskopie ermöglichen es, den lateralen Gitterparameter sowie die InAs Konzentration einer bestimmten Höhe im Quantenpunkt zuzuordnen. Daraus lässt sich ein 3D-Modell des Verspannungs- und Interdiffusionsprofiles der InGaAs Inseln rekonstruieren. Bei der Untersuchung von vergrabenen InGaAs Quantenpunkten und von freistehenden Inseln, die auf der verspannten Oberfläche einer vergrabenen Schicht von Quantenpunkten gewachsen wurden, stößt diese Methode jedoch an ihre Grenzen. ((2)) InGaAs Quantenringe: Die Bildung von nanoskopischen InGaAs Ringen auf einer GaAs (001) Oberfläche wird beobachtet, wenn InAs Inseln, hergestellt mittels Stranski-Krastanov-Selbstorganisation, mit einer dünnen Schicht GaAs überwachsen werden. Die Oberflächenmorphologie und strukturelle Eigenschaften, wie Verspannung und chemische Zusammensetzung, dieser Strukturen wurde mittels GISAXS und GID analysiert. Gemäss der GISAXS-Auswertung, die gut mit den AFM Untersuchungen übereinstimmt, besitzen die Ringe eine kreisförmige Symmetrie mit einem äußeren Radius von 26nm und einer Höhe von 1.5nm. Das überraschendste Ergebnis liefert die Analyse von Kartierungen des reziproken Raums in der Nähe des (220) and (2-20) Reflexes in GID-Geometrie. Die chemische Zusammensetzung des Rings, die durch den Vergleich der Messungen mit Modellrechnungen basierend auf FEM-Simulationen bestimmt wurde, hängt sehr stark von der kristallographischen Orientierung ab. In [1-10] Richtung wird eine maximale InAs Konzentration von über 80% beobachtet, während in [110] Richtung diese unter 20% liegt. Die erhöhte Diffusion von In in [1-10] Richtung erklärt diese Beobachtung. ((3)) Quantendräte hergestellt auf überwachsenen Spaltflächen: Die (110) Spaltfläche eines pseudomorph verspannten In0.1Al0.9As/Al0.33Ga0.67As Übergitters wurde mit einer 10nm dicken Schicht GaAs überwachsen. In diesem Fall wird die Beweglichkeit der Ladungsträger in der überwachsenen Schicht lateral durch die periodische, tensile Verspannung des Übergitters auf eine Dimension beschränkt (Quantendraht). Mittels GID lässt sich die Verspannungsmodulation, die nur innerhalb von 3micron der Gesamtdicke des Wafers von 150micron auftritt, quantisieren [im Mittel (0.8+-0.1)%]. Hierbei erlaubt GID eine klare Trennung der Verspannungsmodulation in der überwachsenen Schicht vom darunterliegenden Übergitter. Es kann gezeigt werden, dass die Verspannungsmodulation in der überwachsenen GaAs Schicht rein elastischer Natur ist und keine Interdiffusion stattfindet. Das Verspannungsprofil lässt sich durch FEM-Modellrechnungen bestätigen.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: X-ray / synchrotron radiation, semiconductor nanostructures, strain, composition, finite element method
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Juni 2004