In-situ Rastertunnelmikroskopiemessungen der Bildung von Nanostrukturen in der Metallorganischen Gasphaenepitaxie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE) ist die industriell wichtigste Methode zur Herstellung von III-V-Halbleiternanostrukturen, wie sie z.B. in Leuchtdioden (LEDs) und Laserdioden verwendet werden. Rastertunnelmikroskopie (STM) ist eine etablierte Methode, die routinemäßig Nanostrukturen bis hin zu atomarer Auflösung abbilden kann. STM mit MOVPE zu kombinieren ist sehr schwierig wegen der hohen Temperaturen und der starken Vibrationen der Pumpen. Wir haben in den letzten Jahren ein STM mit aktiver Kühlung konstruiert, das als weltweit erstes und bisher einziges in-situ Untersuchungen während der Herstellung in der Metallorganischen Gasphasenepitaxie ermöglicht. Die großen experimentellen Herausforderungen eines in-situ STM sind auch daran zu erkennen, dass seitdem weltweit kein weiteres solches Instrument realisiert wurde. Im Berichtszeitraum ist es uns gelungen, die Bildung von Quantenpunkten aus dem Material Indiumarsenid auf Galliumarsenid direkt zu verfolgen. Bei einer Temperatur von 475°C ist es uns außerdem gelungen, die Entwicklung der Größe verschiedener Quantenpunkte über mehr als eine Stunde zu verfolgen. Während dieser sogenannten Ostwald-Reifung wachsen größere Quantenpunkte auf Kosten der kleineren. Durch den Vergleich mit Vorhersagen aus der Theorie konnte belegt werden, dass die An- bzw. Ablagerung von Material die Geschwindigkeit der Reifung bestimmt. Diese Ergebnisse haben zu zwei eingeladenen Vorträgen auf Konferenzen in Japan und den USA geführt. Außerdem hat der Doktorand im Projekt (Raimund Kremzow) mit diesen Ergebnissen auf der iNOW 2009 in Schweden einen Preis als besten Posterbeitrag gewonnen. Um diese Messungen zu realisieren, wurde die in-situ Messtechnik stark weiterentwickelt. Als erstes wurde das STM erweitern, um an beliebigen Punkten der Probe Strom- Spannungs-Kennlinien aufzunehmen. Leider zeigte sich, dass Galliumarsenid und Indiumarsenid bei den hohen Temperaturen von 400-650°C sehr leicht bei etwas höheren Messströmen zersetzen und die Spitze zerstören können. Deswegen wurden Arbeiten vorangetrieben, mit niedrigeren Strömen zu messen, durch eine bessere Führung der Leitungen innerhalb wie außerhalb und einer besseren Abschirmung. Außerdem wurde das Design des STM-Messkopfes stark verbessert, was einen schnelleren Probenwechsel und längere Messintervalle sowie höhere Temperaturen vorsieht. Innerhalb der Arbeiten dieses Projektes wurde gezeigt, dass in-situ STM wichtige Fragestellungen bei der Herstellung von Nanostrukturen mittels MOVPE geklärt werden können. Während STM in der Oberflächenphysik bereits eine der wichtigsten Messtechniken darstellt, hat das Projekt gezeigt, dass trotz der großen Herausforderungen der Einsatz unter MOVPE-Bedingungen möglich ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren den erfolgreichen Einsatz von in-situ STM während der MOVPE und die Möglichkeit, das Wachstum von Nanostrukturen auf bisher nicht mögliche Weise zu erfassen. Das Potential wurde durch Kombination mit der optischen Messmethoden der spektroskopischen Ellipsometrie zusätzlich verstärkt und stellt für zukünftige Untersuchungen während der MOVPE ein sehr mächtiges Messinstrument dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- In-situ monitoring for nano-structure growth in MOVPE. In Semiconductor Nanostructures Kapitel 3, Ed: D. Bimberg Springer-Verlag (2008) 67-86
Markus Pristovsek and Wolfgang Richter
- Ripening of InAs Quantum Dots on GaAs (001) investigated with in-situ Scanning Tunneling Microscopy in Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy. J. Crystal Growth 310 (2008) 4751-4753
R. Kremzow, M. Pristovsek, M. Kneissl
- 2D-3D Transition and Relaxation During Strained Compound Semiconductor Growth. Proceeding 13th EW-MOVPE workshop (2009) 245-236, C.10
M. Pristovsek, M. Leyer, J. Stellmach, R. Kremzow, M. Kneissl
- In situ Rastertunnelmikroskopie an III-V-Halbleiternanostrukturen während der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. (Promotionsschrift TU Berlin, 2010)
Raimund Kremzow
- Metalorganic Vapor Phase Epitaxy of InN on GaN using tertiary-butylhydrazine as Nitrogen Source. J. Crystal Growth 312 (2010) 1983-1985
R. Kremzow, M. Pristovsek, J. Stellmach, Ö. Savaş, M. Kneissl
