Electron Tomography for Investigating Morphology and Chemical Width of Epitaxial Heterointerfaces

In dieser Studie wird die Elektronentomographie (ET) zur dreidimensionalen (3D) Charakterisierung epitaktischer Heterogrenzflächen auf einer Längenskala von einigen 100 nm eingesetzt. Ermittelt werden die Morphologie sowie die chemische Durchmischung der Grenzflächen. Die untersuchten Grenzflächen unterscheiden sich im Wesentlichen durch den Grad an chemischer Durchmischung und stammen aus anwendungsrelevanten, planaren Heterostrukturen, die jeweils dem aktiven Teil eines halbleiterbasierten, nanostrukturierten Bauteils entsprechen. Die ET ermöglicht es, eine 3D-Abbildung der Grenzflächen in Form von Isokompositionsflächen zu erhalten. Hierzu werden zweidimensionale chemisch-sensitive Z-Kontrast-Projektionen von nadelförmigen Proben des Bauteils im Rastertransmissionselektronenmikroskop aus verschiedenen Blickrichtungen aufgenommen und daraus das Tomogramm mittels der Simultaneous Iterative Reconstruction Technique rekonstruiert. Die Isokompositionsflächen stammen aus dem Durchmischungsbereich der Grenzflächen und markieren eine ausgewählte atomare Konzentration. Für die quantitative Morphologieauswertung werden die Höhenschwankungen der Isokompositionsflächen in Form des quadratischen Mittels sowie deren laterale Korrelationslänge als Rauheitsparameter bestimmt. Mithilfe einer Simulation der kompositionellen Veränderung an den Grenzflächen entlang der Wachstumsrichtung mit sigmoidalen Funktionen wird die Stärke der chemischen Durchmischung ermittelt, die zusätzlich in der Grenzflächenebene kartiert wird. Des Weiteren wird demonstriert, dass eine Korrektur des Cupping-Artefakts im Tomogramm basierend auf einem Lambert-Beer’schen Ansatz unerlässlich für die 3D-Grenzflächenauswertung in Nadelproben mit Durchmessern von einigen 100 nm ist. Charakterisiert werden Grenzflächen einer Ge/GeSi Multiquantentopf-Struktur, eines (Ga, In)As/(Al, In)As Quantenkaskadenlasers und die Al/III-V-Verbindungs-Grenzfläche einer hybriden Halbleiter-Supraleiter-Struktur.