Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8710
Main Title: Structural characteristics of InGaAs/GaP quantum dots and related materials on the atomic scale
Translated Title: Strukturelle Charakteristika von InGaAs/GaP-Quantenpunkten und verwandten Materialen auf atomarer Skala
Author(s): Prohl, Christopher
Advisor(s): Dähne, Mario
Eisele, Holger
Referee(s): Dähne, Mario
Eisele, Holger
Ebert, Philipp
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Self-assembled (In,Ga)As quantum dots (QDs) embedded in a GaP matrix are a promising semiconductor material for possible applications in optoelectronics and nanomemory cells. Even more, GaP with its particular low lattice mismatch to silicon offers the possibility to monolithically integrate III-V semiconductor nanotechnology into silicon. In this thesis, cross-sectional scanning tunneling microscopy (XSTM) was intensely used to analyze the structural characteristics of differently grown (In,Ga)As/GaP QDs and related materials on the atomic scale, investigating both samples grown by metalorganic vapor-phase epitaxy (MOVPE) and by molecular beam epitaxy (MBE). The XSTM data have been evaluated via the image contrast in combination with a stoichiometry analysis based on the local lattice parameter. A GaAs interlayer before the In0.25Ga0.75As deposition on GaP by using MOVPE enables the Stranski-Krastanow growth mode leading to the formation of QDs by an intense material redistribution. The QDs have a truncated pyramidal shape, consist of phosphorus-free (In,Ga)As, and contain the total amount of deposited indium distributed in a reversed-cone stoichiometric profile. The surrounding wetting layer consists of inhomogeneously distributed indium-free Ga(As,P). The duration of the growth interruption (GRI) after the growth of In0.5Ga0.5As/GaAs QDs in GaP has an influence on the photoluminescence intensity. A structural redistribution of the QD layer occurs during the GRI, which is characterized by an intermixing of the locally concentrated indium within the layer, transforming the truncated pyramidal shaped QDs into a more homogeneous quaternary (In,Ga)(As,P) layer. MBE-grown In0.25Ga0.75As/GaAs/GaP QD layers show comparable structural properties as their MOVPE-grown equivalents with phosphorus-free (In,Ga)As QDs and an indium-free Ga(As,P) wetting layer. In0.5Ga0.5As layers grown directly on GaP by MBE have an inhomogeneous material distribution. Small agglomerations, which get more pronounced with increasing deposited material, presumably consist of quaternary (In,Ga)(As,P), while the surrounding layer consists of indium-reduced (In,Ga)(As,P). Investigations on thin GaAs and (Al,Ga)P layers in GaP show that the total deposited material amount is located within the layers and only slight segregation occurs. Computational calculations on In0.25Ga0.75As/GaAs/GaP QDs give a brief insight into the electronic structure. Initial XSTM experiments on promising MOVPE-grown In0.5Ga0.5Sb/GaAs QD layers on GaP show the formation of nanostructures with inner agglomerations, where the material distribution depends on the duration of an additional Sb-flush before the In0.5Ga0.5Sb deposition. Within the nanostructures the material seems to arrange in a quaternary or even quinary way, which desires a detailed investigation in the future.
Selbstorganisierte (In,Ga)As-Quantenpunkte (QDs), eingebettet in eine GaP-Matrix, sind ein vielversprechendes Halbleitermaterial für mögliche Anwendungen in der Optoelektronik und für Nanospeicher-Zellen, insbesondere da GaP mit seiner besonders geringen Gitterfehlanpassung zu Silizium die Möglichkeit zur monolithischen Integration der III-V-Halbleiter-Nanotechnologie in Silizium bietet. In dieser Arbeit wurde die Querschnitts-Rastertunnelmikroskopie (XSTM) intensiv verwendet, um die Strukturmerkmale unterschiedlich gewachsener (In,Ga)As/GaP-QDs und verwandter Materialien auf atomarer Skala zu untersuchen, wobei die Proben sowohl mit metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) als auch mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen wurden. Die XSTM-Daten wurden über den Bildkontrast in Kombination mit einer Stöchiometrie-Analyse basierend auf dem lokalen Gitterparameter ausgewertet. Eine GaAs-Zwischenschicht vor der In0.25Ga0.75As-Abscheidung auf GaP mittels MOVPE ermöglicht den Stranski-Krastanow-Wachstumsmodus, der durch eine intensive Materialumverteilung zur Bildung von QDs führt. Die QDs haben die Form einer abgestumpften Pyramide, bestehen aus Phosphor-freiem (In,Ga)As und enthalten die Gesamtmenge an abgeschiedenem Indium, das in einem stöchiometrischen Profil in Form eines umgekehrtem Kegels verteilt ist. Die umgebende Benetzungsschicht besteht aus inhomogen verteiltem Indium-freiem Ga(As,P). Die Dauer der Wachstumsunterbrechung (GRI) nach dem Wachstum von In0.5Ga0.5As/GaAs-QDs in GaP beeinflusst die Intensität der Photolumineszenz. Eine strukturelle Umverteilung der QD-Schicht tritt während der GRI auf. Diese ist durch eine Durchmischung des lokal konzentrierten Indiums innerhalb der Schicht gekennzeichnet, welche die pyramidenstumpfartigen QDs in eine homogenere quaternäre (In,Ga)(As,P)-Schicht überführt. MBE-gewachsene In0.25Ga0.75As/GaAs/GaP-QD-Schichten zeigen vergleichbare strukturelle Eigenschaften wie ihre mit MOVPE gewachsenen Äquivalente, mit Phosphor-freien (In,Ga)As-QDs und einer Indium-freien Ga(As,P)-Benetzungsschicht. In0.5Ga0.5As-Schichten, die mittels MBE direkt auf GaP gewachsen wurden, besitzen eine inhomogene Materialverteilung. Kleine Agglomerationen, die mit zunehmendem abgeschiedenem Material ausgeprägter werden, bestehen vermutlich aus quaternärem (In,Ga)(As,P), während die umgebende Schicht mehr aus Indium-reduziertem (In,Ga)(As,P) besteht. Untersuchungen an dünnen GaAs- und (Al,Ga)P-Schichten in GaP zeigen, dass sich die gesamte abgeschiedene Materialmenge innerhalb der Schichten befindet und nur eine geringe Segregation auftritt. Computergestützte Berechnungen zu In0.25Ga0.75As/GaAs/GaP-QDs geben einen kurzen Einblick in die elektronische Struktur. Erste XSTM-Experimente zu vielversprechenden mittels MOVPE gewachsenen In0.5Ga0.5Sb/GaAs-QD-Schichten auf GaP zeigen die Ausbildung von Nanostrukturen mit inneren Agglomerationen, wobei die Materialverteilung von der Dauer eines zusätzlichen Sb-Flushes vor der In0.5Ga0.5Sb-Abscheidung abhängt. Innerhalb der Nanostrukturen scheint sich das Material in einer quaternären oder sogar quinären Weise anzuordnen, was eine detaillierte Untersuchung in der Zukunft verlangt.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9667
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8710
Exam Date: 17-Jun-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 2-Aug-2019
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): quantum dots
scanning tunneling microscopy
InGaAs
GaP
growth
XSTM
Quantenpunkte
Rastertunnelmikroskopie
Sponsor/Funder: DFG, SFB 787, Semiconductor Nanophotonics: Materials, Models, Devices
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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