Ce travail est consacré à l'hétéroépitaxie de GaN sur substrat Si, étudié à l’échelle nanométrique par microscopie électronique en transmission. On étudie dans un premier temps la croissance de la couche de nucléation d’AlN, en analysant la structure de son interface avec Si, et les premières étapes de croissance. Ceci est effectué en comparant les procédés MBE et MOCVD, pour lesquels des différences sont observées, comme la formation d’une couche amorphe interfaciale pour la MOCVD à haute température. Ensuite, la nanodiffraction par précession (N-PED) permet de déterminer la distribution de la déformation sur l’ensemble de l’hétérostructure. Avec l’aide de l’imagerie par microscopie TEM conventionnelle, on corrèle ainsi le comportement des dislocations traversantes (boucles et dislocations inclinées) à la relaxation des couches de GaN. Une croissance hybride basée sur une combinaison de couches MBE et MOCVD se révèle efficace quant à la réduction de la densité de dislocations, et est à priori intéressante pour des applications type LED. L’utilisation de la cathodoluminescence permet de mettre en évidence la présence d’impuretés et leurs effets au cours des différentes étapes de l’épitaxie. Finalement, nous explorons la possibilité d’utiliser une couche de Si fine sur isolant (SOI) comme substrat de type compliant pour la croissance des couches de GaN. Cette dernière étude est menée principalement pour des couches MBE, et demande à être étendue à des structures MOCVD, pour lesquelles les effets de compliances observés seront potentiellement plus importants. / This work is dedicated to GaN on Si heteroepitaxy, at nanometer scale by transmission electron microscopy. First we study the AlN buffer layer growth, by analysing its interface structure with Si substrate, and the first growth stages. This is done by comparing MBE and MOCVD growth processes, for which differences are observed, as the formation of amorphous inter-layer for high temperature MOCVD. Then nanodiffraction with precession (N-PED) allows us to determine strain distribution among the entire heterostructure. With the help of conventional TEM imaging, we correlate threading dislocation behaviour (loop and inclined dislocations) to the strain relaxation in GaN. Hybrid growth based on a combination of MBE and MOCVD layers appears to be quite efficient concerning the reduction of dislocation density, and thus interesting for LED applications. Cathodoluminescence highlights presence of impurities and their effect for each epitaxy stages. Finally we explore the possibility to grow GaN epilayers on a thin Si layer on insulator (SOI), as a compliant substrate. This last study is mainly conducted for MBE layers, and requires to be extended to MOCVD structures, for which observed compliant effects may potentially be more important.

Techn. Univ., Diss., 2004--Darmstadt

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.

In dieser Arbeit wurde die atomare Struktur von Si(100)- und Ge(100)-Oberflächen untersucht, die mit metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) für anschließende Heteroepitaxie von III-V-Halbleitern präpariert wurden. An der III-V/IV Grenzfläche werden atomare Doppelstufen auf der Substratoberfläche benötigt, um Antiphasenunordnung in den III-V-Schichten zu vermeiden. Die MOCVD-Prozessgasumgebung beeinflusst die Domänen- und Stufenbildung der Si- und Ge(100)-Oberfläche sehr stark. Deswegen wurden in situ Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) und Ultrahochvakuum-(UHV)-basierte oberflächensensitive Messmethoden verwendet, um die verschiedenen Oberflächen zu charakterisieren. In situ RAS ermöglicht die Identifizierung der Oberflächenstruktur und somit Kontrolle über die Oberflächenpräparation, insbesondere der Domänenbildung auf Si- und Ge(100). Beide Oberflächen wechselwirken stark mit dem H2-Prozessgas, was zu Monohydrid-Bedeckung während der Präparation führt und sogar zu Si-Abtrag während Präparation unter hohem H2-Druck. Die Erzeugung von Leerstellen auf den Terrassen bewirkt eine kinetisch bedingte Oberflächenstruktur, basierend auf Diffusion von Leerstellen und Atomen. Dadurch kommt es zu ungewöhnlichen DA-Doppelstufen auf verkippten Si(100)-Substraten während auf exakten Substraten ein schichtweiser Abtrag stattfindet. Unter niedrigem H2-Druck bildet sich eine energetisch bedingte Domänen- und Stufenstruktur. Während das H2-Prozessgas keinen direkten Einfluss auf die Stufen- und Domänenbildung von verkippten Ge(100)-Oberflächen zeigt, ist der Einfluss von Gruppe-V-Elemente entscheidend. Die As-terminierten Ge(100)-Oberflächen bilden eindomänige Oberflächen unterschiedlicher Dimerorientierung und Stufenstruktur abhängig von Temperatur und As-Quelle. Angebot von P an Ge(100)-Oberflächen durch Heizen in Tertiärbutylphosphin führt zu einer ungeordneten, P-terminierten Ge(100)-Oberfläche, die instabiler als die Ge(100):As-Oberfläche ist. / In this work, the atomic surface structure of Si(100) and Ge(100) surfaces prepared in metalorganic chemical vapor phase deposition (MOCVD) ambient was studied with regard to subsequent heteroepitaxy of III-V semiconductors. At the III-V/IV interface, double-layer steps on the substrate surface are required to avoid anti-phase disorder in the epitaxial film. The MOCVD process gas ambient strongly influences the domain and step formation of Si and Ge(100) surfaces. Therefore, in situ reflection anisotropy spectroscopy (RAS) and ultra-high vacuum-based (UHV) surface sensitive methods were applied to investigate the different surfaces. In situ RAS enabled identification of the surface structure and the crucial process steps, leading to complete control of Si and Ge(100) surface preparation. Both surfaces strongly interact with H2 process gas which leads to monohydride termination of the surfaces during preparation and Si removal during processing in high H2 pressure ambient. The generation of vacancies on the terraces induces a kinetically driven surface structure based on diffusion of vacancies and Si atoms leading to an energetically unexpected step structure on vicinal Si(100) substrates with DA-type double-layer steps, whereas Si layer-by-layer removal occurs on substrates with large terraces. Processing in low H2 pressure ambient leads to an energetically driven step and domain structure. In contrast, H2-annealed vicinal Ge(100) surfaces show no direct influence of the H2 ambient on the step structure. At the Ge(100) surface, group-V elements strongly influence step and domain formation. Ge(100):As surfaces form single domain surfaces with different majority domain and significantly different step structures depending on temperature and As source, respectively. In contrast, exposure to P by annealing in tertiarybutylphosphine leads to a very disordered P-terminated vicinal Ge(100) surface which is less stable compared to the Ge(100):As surfaces.

Diese Arbeit untersucht das Aufwachsen von dünnen GaP-Schichten auf Si(100)-Oberflächen mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOVPE) und die damit verbundene Entstehung von Antiphasendomänen (APDs). Die Vermessung der Si(100)-Substratoberfläche, der III-V/Si(100)-Grenzfläche und der abgeschiedenen GaP-Filme mit oberflächenempfindlichen Messverfahren dient der Etablierung APD-freier III-V-Heteroepitaxie auf Si(100). Die Präparation reiner Si(100)-Oberflächen frei von Sauerstoff in der MOVPE-Umgebung konnte durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) belegt werden. Vorwiegend doppelgestufte Substrate wurden sowohl auf 0.1°, 2° als auch 6° fehlorientierten Substraten erzielt. Im Widerspruch zu etablierten Ergebnissen im Ultrahochvakuum richteten sich die Dimere auf 0.1° und 2° Proben senkrecht zu den Doppelstufenkanten aus, vermutlich durch den Einfluss des Wasserstoffs in der MOVPE. Infrarotspektroskopie (FTIR) belegte eine Monohydridterminierung infolge der Präparation, während in-situ Reflexions-Anisotropie-Spectroskopie (RAS) zeigte, dass diese bei höheren Prozesstemperaturen nicht vorliegt. Für die GaP-Heteroepitaxie auf diesen Substraten wurde ein optisches in-situ Messverfahren für die quantitative Bestimmung des APD-Gehaltes entwickelt, welches auf dem eingehenden Verständnis der Rekonstruktionen von GaP(100), der assozierten RAS-Signaturen und dem mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Beugung niedrigenergetischer Elektronen (LEED) etablierten mikroskopischen Verständnis der Oberflächen beruht. Die APD-Quantifizierung mittels RAS wurde durch empirische Korrektur von Interferenzeffekten und optische Modellrechnungen, die auch Rückschlüsse auf die Grenzflächenanisotropie erlauben, deutlich verbessert. Der Abgleich mit unterschiedlichsten Mikroskopiemethoden, basierend auf niedrigenergetischen Elektronen (LEEM), Elektronentransmission (TEM) und Rasterkraftverfahren (AFM) bestätigt die erzielten Ergebnisse. / The present work investigates the growth of thin, pseudomorphic GaP films by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) on Si(100) surfaces by a variety of surface-sensitive methods and pays with specific attention to the substrate induced anti-phase disorder in this lattice matched model system for III-V/Si(100) heteroepitaxy. Thorough X-ray photoelectron spectroscopy investigations verified the preparation of clean Si(100) surfaces free of oxygen in the MOVPE ambient. Predominantly double-layer stepped Si(100) surfaces were obtained for 0.1°, 2°, and 6° misoriented substrates. In contrast to results established in ultra-high vacuum (UHV), double-layer steps with dimers oriented perpendicular to their edges were observed, which was attributed to the presence of hydrogen as a process gas in the MOVPE environment. A monohydride termination of Si(100) was determined after substrate preparation by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), while reflectance anisotropy spectroscopy (RAS) showed the absence of hydrogen termination at higher temperatures. Optical in situ spectroscopy was established as a method for the quantitative evaluation of anti-phase disorder in GaP heteroepitaxy based on a detailed understanding of the GaP(100) surface reconstructions, of the development of the corresponding RAS signatures, and of the associated surface structure studied by scanning tunneling microscopy (STM) and low-energy electron diffraction (LEED). The in situ RAS quantification was greatly improved by empirical correction of thin film interference and optical model calculations, which also enable extraction of the GaP/Si(100) interface anisotropy. The characterization was supported by benchmarking to atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM) results as well as to low energy electron microscopy (LEEM), which was used for surface sensitive visualization of anti-phase domains on a mesoscopic length scale.