STM-Untersuchung von Versetzungsbildung bei Heteroepitaxie

Halbleiter-Heterostrukturen sind von großer Bedeutung für die Herstellung von elektronischen Bauelementen als auch für die Erforschung der fundamentalen Eigenschaften von niedrig-dimensionalen Systemen. Verspannte Heterostrukturen aus Materialien mit verschiedenen Gitterkonstanten spielen dabei eine wichtige Rolle da damit wesentlich größere Freiheitsgrade in der Einstellung der physikalischen Eigenschaften erzielt werden können. Für die praktische Realisierung solcher Strukturen ist die Untersuchung und Kontrolle der Relaxationsprozesse die beim epitaktischen Wachstum auftreten von zentraler Bedeutung. Die Gitterrelaxation wird dabei durch die Ausbildung von Versetzungen an der Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat hervorgerufen. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt daß der Verlauf dieser Relaxation sehr stark von der Kinetik der Versetzungsbildung bestimmt wird da in den meisten Fällen das epitaktische Wachstum sehr weit vom thermodynamischen Gleichgewicht durchgeführt wird. Bisher erfolgten solche Untersuchungen meist mit Transmissions-Elektronenmikroskopie, Röntgenmethoden oder Kathodolumineszenz. Neuere Arbeiten haben jedoch gezeigt daß die Rastertunnelmikroskopie (RTM) eine ausgezeichnete alternative Methode zur Untersuchung von Versetzungen ist. Dies basiert auf der sub-atomaren vertikalen Auflösung des Rastertunnelmikroskopes die es erlaubt die lokalen Gitterverzerrungen die durch vergrabene Versetzungen hervorgerufen werden direkt abzubilden. In diesem Forschungsprojekt sollen die Möglichkeiten des RTM zur Untersuchung von Vesetzungen erweitert werden um neue Einblicke in die Mechanismen der Versetzungsbildung zu gewinnen. Insbesondere wird dafür ein Ultra-Hochvakuum Hochtemperatur-Rastertunnelmikroskopie aufgebaut und eingesetzt werden um die verschiedenen Versetzungsprozesse in Echtzeit beobachten zu könne. Die Untersuchungen werden sich auf die Molekularstrahlepitaxie von IV-VI Halbleitern konzentrieren die für infrarot optoelektronische Bauelemente wie z.B. Detektoren oder durchstimmbaren Dioden-Lasers für die Gasspektroskopie verwendet werden. Aus den experimentellen Daten zu den verschieden Nukleations-, Gleit-, Multiplikations- und Wechselwirkungsprozesse in der Versetzungsbildung wird ein theoretisches Modell zur Beschreibung der Versetzungskinetik in entwickelt werden. Darüber hinaus sollen die Mechanismen zur Reduktion der Versetzungsdichten untersucht werden sowie die Relaxationsprozesses für verschiedene Wachstumsorientierungen verglichen werden. Ebenso soll die Rückwirkung der lokalen Verspannungsfelder der Versetzungen auf das Wachstum selbst als auch auf die Oberflächenstufenstruktur untersucht werden, und festgestellt werden wie diese Effekte zur Herstellung von selbst-organisierten Nanostrukturen ausgenützt werden können.

Halbleiter-Heterostrukturen sind von großer Bedeutung sowohl für die Herstellung von modernen mikroelektronischen Bauelementen als auch für die Erforschung der grundlegenden Eigenschaften von niedrig- dimensionalen Systemen. Verspannte Heterostrukturen aus Materialien mit verschiedenen Gitterkonstanten spielen dabei eine besondere Rolle da damit wesentlich größere Freiheitsgrade in der Realisierung und Einstellung der physikalischen Eigenschaften erreicht werden können. Für die praktische Realisierung solcher Strukturen ist die Untersuchung und Kontrolle der Gitterrelaxationsprozesse die beim epitaktischen Wachstum auftreten von zentraler Bedeutung. Diese Gitterrelaxation wird dabei durch die Ausbildung von Fehlanpassungsversetzungen an der Grenzfläche zwischen Schicht und Substrat hervorgerufen. Bisher erfolgte die Untersuchung solcher Versetzungen in erster Linie mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenmethoden oder Kathodolumineszenz. Im Rahmen dieses FWF Projektes konnte jedoch gezeigt werden, daß die Rastertunnelmikroskopie (RTM) eine ausgezeichnete alternative Methode zur Untersuchung von Versetzungen darstellt. Dies basiert auf der sub- atomaren vertikalen Auflösung des Rastertunnelmikroskopes, die es erlaubt die lokalen Gitterverzerrungen die durch vergrabene Versetzungen hervorgerufen werden direkt abzubilden. Die experimentellen Untersuchungen in diesem Projekt konzentrierten sich auf die Kinetik und Energetik der Versetzungsbildung in IV-VI Halbeiterstrukturen welche für die Herstellung von infrarot-optoelektronischen Bauelementen von Interesse sind. Zur Beschreibung der experimentellen Daten wurde neue theoretische Modelle entwickelt die vor allem die Wechselwirkung der Versetzungen berücksichtigen und eine wesentlich genauere Vorhersage des Relaxationsverlaufes erlauben. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, daß unter bestimmten Voraussetzungen erstaunlich regelmäße, quasi-periodische Versetzungsnetzwerke ausgebildet werden, welche als nanostrukturierte Unterlage für die Deposition von lateral geordneten Nanostrukturen verwendet werden können und damit neue Anwendungen erschließen könnten.