Loading…
Dunkelfeldelektronenholographie zur Verzerrungsanalyse verspannter nanophotonischer Bauelemente
Kießling, Felix
Die Dunkelfeldelektronenholographie (DFEH) ist eine Methode der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zur zweidimensionalen Analyse von Verzerrungen in Kristallen mit ≈ 1 μm breiten Gesichtsfeldern. Durch die Interferenz einer Objektwelle, die durch den gestörten Kristall transmittiert, und einer Referenzwelle des ungestörten Kristall kann in der Phase die Verschiebung der Gitter zueinander aufgenommen und die Verzerrung ermittelt werden.
Mit TEM und DFEH wird eine Idee zur Realisierung von Einzelphotonenemittern untersucht: Das verzerrungsinduzierte Wachstum von Quantenpunkten (QP) durch eine selektiv oxidierte AlAs/GaAs-Stressorstruktur einer Mesa zu realisieren. Diese verzerrten Mesen werden zunächst in ihrer Struktur analysiert. Die Phase des oxidierten AlAs kann als γ-Al₂O₃ mit 5–16 nm großen Nanokristalliten ermittelt werden. Die Verzerrungsanalyse erfolgt sowohl an einer linearen Mesa mit einer weiten Apertur, als auch einer runden Mesa mit einer kleinen Apertur. In der linearen Mesa kann direkt über der Aperturkante in Schichtrichtung eine tensile Verzerrung von (0,30 ± 0,15) % in Höhe der QP-Schicht und von (0,40±0,15) % an der Oberfläche nachgewiesen werden. Die Analyse der runden Mesa zeigt in Schichtrichtung eine tensile Verzerrung von (0,18 ± 0,06) % in Höhe der QP-Schicht und (0,60 ± 0,06) % an der Oberfläche der Mesa. Der Aperturdurchmesser beeinflusst dabei die Lage des tensilen Maximums. Diese Verzerrungsanalyse wird anschließend mit Simulationen, basierend auf linearer Elastizitätstheorie, verglichen und zeigt eine gute qualitative und quantitative Übereinstimmung.
Die Messungen werden mit {111}-, {400}- und {200}-Reflexen an verschiedenen Tagen durchgeführt, um Einflüsse der Abbildungsbedingungen auf die DFEH-Methode zu untersuchen. Abbildungs- und Anregungsfehler sowie eine Nachoxidation der TEM-Lamelle werden als mögliche Ursachen für die auftretenden Abweichungen zwischen den Messungen diskutiert. Außerdem zeigen die Simulationsrechnungen bei Berücksichtigung der dynamischer Beugungstheorie einen starken Einfluss der Wahl der Reflexe sowie der Probendicke der TEM-Lamelle auf die Messung. Je geringer die Extinktionslänge eines Reflexes ist, desto empfindlicher ist die Messung auf Verzerrungen, die in der Tiefe variieren. Die gewählte Probendicke von (275 ± 5) nm erweist sich dabei für die Verzerrungsanalyse mit den {400}-Reflexen als ideal.
Dark-field electron holography (DFEH) is a method to investigate two-dimensional strain in crystals in a transmission electron microscope (TEM) with a field of view of ≈ 1 μm width. The interference of an object wave, transmitted through a strained crystal, and a reference wave of an unstrained crystal allows to image the displacement of the lattice in the phase and therefore to investigate the strain.
Selective oxidized AlAs/GaAs-stressor structures are investigated by TEM and DFEH. Such structures are one approach to realize single photon emitters by strain induced quantum dot (QD) growth. The structures of the strained mesas are analyzed. The phase of the oxidized AlAs can be determined as γ-Al₂O₃ with 5–16 nm nanocrystals. The strain states of a linear mesa with a wide aperture opening and of a circular mesa with a small aperture are investigated. Above the aperture egde of the linear mesa a lateral tensile strain of (0.30 ± 0.15) % is measured in the height of the QD layer and of (0.40 ± 0.15) % at the surface of the mesa. The analysis of the circular mesa shows a lateral tensile strain of (0.18 ± 0.06) % in the QD layer and of (0.60 ± 0.06) % at the surface of the mesa at the center of the aperture. The measured strain is compared to simulation based on linear elasticity theory and a good qualitative and quantitative agreement is found.
The strain measurements are performed with {111}-, {200}- and {400}-reflections on several days, to investigate possible influences of imaging conditions on the DFEH method. Excitation errors, aberrations or even post-oxidation of the TEM-lamella are discussed as possible causes of the detected deviations between the different measurements. Simulations taking into account the dynamical diffraction show a strong influence of the selected reflections and specimen thickness on the strain measurements. The smaller the extinction distance of the reflections are, the more sensitive the measurements are to strain variations along the depth of the specimen. The chosen specimen thickness of (275 ± 6) nm turns out to be very suitable for the strain measurements using {400}-reflections.
