Untersuchungen diffusionsinduzierter Defekte in GaP und GaSb mittels Transmissionselektronenmikroskopie

Diplomarbeit von Christian Jäger

Einleitung:

Die Verbindungshalbleiter GaP und GaSb finden wegen ihrer elektronischen Eigenschaften insbesondere Anwendung in der Opto- und Mikroelektronik. Um zu einem besseren Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen bei Zn-Diffusion in GaP und GaSb zu gelangen, haben wir Diffusionsexperimente durchgeführt. Die Diffusionsglühungen wurden an versetzungsfreien, intrinsischen GaP(001)- und GaSb(001)-Wafern in Quarzglasampullen unter verschiedenen Diffusionsbedingungen durchgeführt. Die Konzentrationsprofile wurden mittels Sekundärionenmassenspektroskopie und Elektronenmikrostrahlsonde bestimmt. Die durch die Zn-Diffusion entstehende Defektstruktur wurde mittels analytischer Transmissionselektronenmikroskopie an Querschnittsproben charakterisiert und die Oberflächen der Wafer mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Bei der Eindiffusion von Zn aus der Dampfphase kommt es zur Bildung stufenförmiger Konzentrationsprofile, welche durch eine hohe Zn-Oberflächenkonzentration und einen steilen Abfall des Zn-Gehalts an der Diffusionsfront gekennzeichnet sind. In n-dotierten Substraten können damit abrupte p-n-Übergänge durch Zn-Diffusion erzeugt werden. Die bei der Zn-Diffusion entstehenden Gitterbaufehler spielen hinsichtlich der industriellen Anwendung der Materialien insofern eine Rolle, als sie zu Störungen im periodischen Gitterpotential und lokalisierten Energieniveaus führen. Die Beweglichkeit der freien Ladungsträger wird damit sehr stark durch die strukturelle Fehlordnung beeinflußt, welches sich insbesondere auf die Funktiontüchtigkeit von p-n-Übergängen in elektronischen Bauelementen auswirkt. In GaP-Leuchtdioden führt die strukturelle Fehlordnung z.B. zu starker Reduzierung der Lumineszenz.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	3
2.	Grundlagen der Diffusionstheorie	6
2.1	Mikroskopische Beschreibung	6
2.2	Makroskopische Beschreibung	7
2.2.1	Herleitung der Diffusionsgleichung	7
2.2.2	Dissoziativer Mechanismus	8
2.2.3	Kick-Out-Mechanismus	9
3.	Experimentelle Grundlagen	12
3.1	Diffusionsexperimente	12
3.1.1	Diffusionsparameter	12
3.1.2	Vorbereitung der Proben für das Diffusionsglühen	13
3.2	Bestimmung der Konzentrationsprofile	13
3.2.1	Elektronenmikrostrahlsonde	13
3.2.2	Sekundärionenmassenspektrometrie	13
3.3	Rasterelektronenmikroskopie	15
3.4	Transmissionselektronenmikroskopie	16
3.4.1	Präparation der Proben für die Transmissionselektronenmikroskopie	16
3.4.2	Charakterisierung von Versetzungen und Versetzungsringen	19
3.4.3	Analyse von Ausscheidungen	22
4.	Experimentelle Ergebnisse	24
4.1	Konzentrationsprofile	24
4.1.1	Elementverteilungsbilder der Proben GaP/Zn3 und GaSb	24
4.1.2	Konzentrationsprofil der Probe GaP/Zn1	24
4.1.3	Konzentrationsprofil der Probe GaP/Zn2	25
4.1.4	Konzentrationsprofil der Probe GaP/Zn3	25
4.1.5	Konzentrationsprofil der Probe GaSb	26
4.2	Mikrostruktur der Probe GaP/Zn1	29
4.3	Mikrostruktur der Probe GaP/Zn2	35
4.4	Mikrostruktur der Probe GaP/Zn3	42
4.5	Mikrostruktur der Probe GaSb	56
4.6	Oberflächenuntersuchungen mittels Rasterelektronenmikroskopie	64
4.6.1	Glühung mit P- und Zn-Quelle	64
4.6.2	Glühung mit reiner Zn-Quelle	65
5.	Diskussion	69
5.1	Zusammenfassung der experimentellen Ergebnisse	69
5.2	Entstehung der Defekte im GaP und (GaSb)	70
5.3	Defektentwicklung in GaP und (GaSb)	71
5.4	Vergleich der Zn-Diffusion mit und ohne P-Quelle	73
5.5	Defektentwicklung bei Erhöhung der Glühtemperatur und Zn-Konzentration in der Quelle	74
6.	Zusammenfassung und Schlußfolgerung	78
7.	Anhang	80
7.1	Entstehung von Moiré-Mustern durch Doppelbeugung	80
7.2	Aufbau und Funktionsweise eines Transmissionselektronenmikroskops	82
7.3	Prinzip der Röntgenstrahlmikroanalyse	85
7.4	Zuordnung zwischen Bild und Beugungsbild	87
7.4.1	Kalibrierung der Bilddrehung	87
7.4.2	Eichung der Mikroskopvergrößerung	88
7.5	Kikuchi-Karte der Zinkblendestruktur	90
7.6	Ausscheidungsmorphologie	91
8.	Literaturverzeichnis	92