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Zusammenfassung
  • Obwohl das InAs/GaAs(111)A-System im Vergleich zu den umfassend untersuchtenGaAs(001)-Substraten aufgrund seiner höheren Symmetrie und der höheren Mobilitätvon In-Adatomen vielversprechende Perspektiven für die Herstellung neuartigeroptoelektronischer Nanostrukturen bietet, ist es aufgrund seiner hohen Neigung zurDefektbildung an der Heterogrenzfläche bislang weitgehend unerforscht geblieben .In diesem Zusammenhang wird eine Technik zur Defektminimierung untersucht, dieals Nano-Heteroepitaxie bezeichnet wird und die Substratnachgiebigkeit vonSubstraten mit nanoskaligen Abmessungen ausnutzt, um die durchGitterfehlanpassung hervorgerufene Spannung aufzunehmen. Analytische Modelleauf Grundlage dieses Ansatzes weisen darauf hin, dass eine Reduzierung derlateralen Substratabmessungen auf unter 30 nm erforderlich ist, um die 7%igeGitterfehlanpassung des InAs-GaAs-Systems auszugleichen. Zu diesem Zweckwerden die selbstorganisierte Bottom-up-Strukturierung mittelsNanosphärenlithographie (NSL) in Kombination mit dem Top-down-Verfahren desreaktiven Ionenätzens eingesetzt, um nano-pfeilerstrukturierte GaAs(111)A-Substratemit mittleren Durchmessern von 28 ± 5 bzw. 31 ± 5 nm, mittleren Höhen von 69 ± 8bzw. 103 ± 3 nm sowie mittleren Pitches von 129 ± 6 bzw. 228 ± 8 nm herzustellen,abhängig von den durch NSL erzeugten Strukturen und den Waferabmessungen.Anschließend wird das molekularstrahlepitaktische (MBE-)Wachstum von InAs aufderart nano-pfeilerstrukturierten Substraten durchgeführt, wobei die nominellabgeschiedene Schichtdicke, die Wachstumstemperatur und die Wachstumsrate inden Bereichen von 2 - 5 nm, 150–410 °C bzw. 0,011–0,11 nm/s variiert werden.Darüber hinaus wird eine Vorlage für die selektive Bereichs-Heteroepitaxieentwickelt, um das InAs-Heterowachstum während des MBE-Prozessesausschließlich auf die Spitzen der GaAs(111)A-Pfeiler zu beschränken; hierbeierfolgen die Wachstumsbedingungen in den Bereichen 300 – 450 °C, 0,011 nm/s und2 nm abgeschiedene Dicke.Die resultierenden Nanostrukturen werden mittels (Raster-)Transmissionselektronenmikroskopie ((R)TEM) untersucht, um Gitterdefekte zucharakterisieren, die Modellierung von Mechanismen der Gitterspannungsrelaxationdurch molekularstatische Simulationen zu unterstützen und diejenigenProzessbedingungen zu identifizieren, die defektfreie InAs-Inseln auf GaAs(111)A-Nanopfeilern ermöglichen.
Abstract
  • Although the InAs/GaAs(111)A system offers prospects for fabricating noveloptoelectronic nanostructures compared to the widely explored GaAs(001) substratesdue to its higher symmetry and In adatom mobility, its high propensity for defectformation at the heterointerface has left it greatly unexplored.In this context, a defect mitigation technique called Nano-heteroepitaxy whichexploits the substrate compliance of substrates with nano-scale dimensions toaccommodate lattice misfit strain is explored. Analytical models based on thisapproach indicate substrate size reduction with lateral dimensions of sub 30 nm toaccommodate the 7% lattice misfit of the InAs-GaAs system. Towards this end, thebottom-up self-organized patterning Nanosphere lithography (NSL) in conjunctionwith the top-down reactive ion etching is used to create nano-pillar patternedGaAs(111)A substrates with average diameters 28 ± 5 or 31 ± 5 nm, average heights 69± 8 or 103 ± 3 nm and average pitch 129 ± 6 or 228 ± 8 nm depending on structurescreated using NSL and wafer dimensions.Subsequently, the molecular beam epitaxial (MBE) growth of InAs is performedon such nano-pillar patterned substrates, varying nominal deposited thickness,growth temperature and growth rate in the ranges 2 - 15 nm, 150 - 410 °C and 0.011and 0.11 nm/s, respectively. Further, a selective area hetero-epitaxy template isdeveloped to restrict InAs heteroepitaxy exclusively to GaAs(111)A pillar tops duringMBE growth performed in the temperature ranges, growth rate and depositedthickness 300 - 450 °C, 0.011 nm/s and 2 nm, respectively.The resulting nanostructures are examined using (scanning)transmissionelectron microscopy ((S)TEM) to characterize the lattice defects, to guide themodelling of lattice strain relaxation mechanisms using molecular statics simulationsand to identify the process conditions yielding defect free InAs islands on GaAs(111)Ananopillars.
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