Transmission electron microscopy study of heterostructures grown on GaAs (110)

Abstract

In der Arbeit werden die mikrostrukturellen Eigenschaften von an (110)-Flächen orientierten Heterostrukturen auf GaAs-Substraten mittels verschiedener Techniken der Transmissionselektronenmikroskopie untersucht. Kubisch flächenzentrierte (Al,Ga)As/AlAs/GaAs Mehrschichtstrukturen auf GaAs(110) weisen in orthogonalen Richtungen parallel zur Substratoberfläche verschiedene Mechanismen zur Aufnahme der Verspannungen aufgrund von Fehlanpassungen auf. Defektfreie Strukturen sind durch eine geeignete, kurz periodische AlAs/GaAs-Überstruktur erfolgreich realisiert worden. Abschließend sind künstliche Defekte per Nanoindentation in den defektfreien Proben erzeugt worden, um die Auswirkung kurzperiodischer Übergitter zu prüfen. Das System aus hexagonal dicht gepacktem MnAs auf GaAs(110) zeichnet sich durch anisotrope Gitterfehlanpassung von -7.5% und 0.7% entsprechend der [11-20] und der [0001] Richtungen aus. Eine Benetzungsschicht, die der Entstehung von Inseln vorausgeht, wird beobachtet, was das Stranski-Krastanov-Wachstum von MnAs belegt. Die Dehnung durch die Gitterfehlpassung von 0.7% wird elastisch eingebaut, während die Spannung durch die Gitterfehlanpassung in der senkrechten [11-20] Richtung durch die Entstehung einer periodischen Anordnung, vollständiger Gitterfehlanpassungsversetzungen abgebaut wird, die sich von der Grenzfläche entfernt im MnAs-Gitter befinden. Das aus der Versetzungsanordnung resultierende Dehnungsfeld ist auf eine Dicke von 3.4 nm um die Grenzfläche beschränkt. Eine atomare Struktur der Grenzfläche wird basierend auf dem Vergleich von HRTEM-Aufnahmen und Simulationen vorgeschlagen. CoAl-Legierungen in der B2-Phase sind zum Vergleich auf (001) und auf (110) orientierten GaAs-Substraten hergestellt worden. Beide Fälle weisen die Koexistenz der B2-Phase und der ungeordneten, kubisch raumzentrierten Variante auf. Die Unordnung wird teilweise durch die epitaktische Dehnung und teilweise durch Diffusion von Punktdefekten hervorgerufen.

In the work, we systematically investigate the microstructural properties of (110) oriented heterostructures on GaAs substrates by means of different transmission electron microscopy techniques. Fcc-type (Al,Ga)As/AlAs/GaAs multilayer structure on GaAs (110) presents different mismatch strain accommodation mechanisms along the perpendicular in-plane directions. Defect-free structures are successfully acquired by an appropriate type of AlAs/GaAs short period superlattice. Finally, artificial defects are intentionally produced by nano-indentation to the defect-free sample to verify the effect of short period superlattices. Hcp-type MnAs on GaAs (110) system is characterized by anisotropic lattice mismatches of -7.5% and 0.7% along the [11-20] and [0001] direction, respectively. A wetting layer is observed prior to the formation of islands, indicating a Stranski-Krastanov growth mode of MnAs. The strain corresponding to the 0.7% lattice misfit is accommodated elastically, whereas the mismatch stress along perpendicular [11-20] direction is relived by the formation of a periodic array of perfect misfit dislocations with a stand-off position in MnAs lattice. The long range strain field associated with the dislocation array is constrained at the interface within a thickness of about 3.4 nm. An interfacial atomic configuration is also proposed based on the comparison between HRTEM image and the simulations. B2-type CoAl alloys are realized on (001) and (110) oriented GaAs substrates for comparison. They are both characterized by a coexistence of B2 phase and its disordered version bcc phase. The disordering is induced partially by the epitaxial strain and partially by the diffusion of point defects.