Study of the structure and mechanical behavior of low-dimentional III-V semiconductor heterostructures

Abstract

The aim of the present dissertation is to provide a comprehensive study of low-dimensional III-V semiconductor heterostructures in terms of their morphology, the crystal structure, the strain state and the chemical composition. To this end, QDs grown on GaAs substrate, for use in applications of nanophotonics and quantum cryptography devices, and NWs grown on Si used as components in advanced generation solar cells, were studied. In addition, QDs include both surface and embedded InAs QDs grown on (211)B GaAs substrate via the Stranski-Krastanov mechanism. Subsequently, NWs include GaAs NWs and GaAs/(In,Al)GaAs core-shell NWs grown on Si(111) substrate via the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism, using Ga droplets as a catalyst. All nanostructures have been developed with Molecular Beam Epitaxy (MBE). The analysis of morphology, structural properties and elemental characterization was performed using Transmission Electron Microscopy (TEM) and high-resolution TEM (HRTEM) techniques. Additionally, the strain properties of the nanostructures along with the related chemical composition were studied by the Geometric Phase Analysis method (GPA), applicable to HRTEM images. The knowledge of the elastic stress/strain fields is necessary to elucidate their response as active elements in microelectronic and optoelectronic devices. For this reason, simulations of elastic stress-strain fields were additionally performed via the Finite Elements Method (FEM). The distribution of elastic stress- strain fields was calculated as a function of the chemical composition and in the case of NWs as shell-to-nanowire (S/NW) relative diameter ratios. Additional Scanning TEM (STEM) observations and in-situ Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS) were carried out to examine the morphological features and local chemical composition of core/shell NWs, respectively.

Το αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής εντοπίζεται στην ολοκληρωμένη μελέτη των χαμηλοδιάστατων ημιαγωγικών ετεροδομών III-V ως προς την μορφολογία τους, την κρυσταλλική τους δομή, τα πεδία παραμόρφωσης και την χημική τους σύσταση. Για τον σκοπό αυτό μελετήθηκαν QDs ανεπτυγμένες σε υπόστρωμα GaAs, για χρήση σε εφαρμογές διατάξεων νανοφωτονικής και κβαντικής κρυπτογραφίας, και NWs ανεπτυγμένα σε υπόστρωμα Si για ενεργειακή χρήση σε προηγμένης γενιάς φωτοβολταϊκά στοιχεία. Συγκεκριμένα, οι κβαντικές τελείες αφορούν τόσο επιφανειακές όσο και εσωτερικές QDs ινδίου-αρσενικού (InAs) ανεπτυγμένες σύμφωνα με τον μηχανισμό στοιβάδων και νησίδων (Stranski-Krastanow) σε υπόστρωμα γαλλίου-αρσενικού (GaAs) (211)Β, ενώ τα νανονήματα αφορούν NWs γαλλίου-αρσενικού (GaAs), καθώς και NWs πυρήνα/φλοιού GaAs/ (In,Al)GaAs ανεπτυγμένα σε υποστρώματα πυριτίου (Si) (111). Όλες οι νανοδομές έχουν αναπτυχθεί με Επιταξία Μοριακών Δεσμών (Molecular Beam Epitaxy, MBE). Η ανάλυση της μορφολογίας, του δομικού και στοιχειακού χαρακτηρισμού πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας τεχνικές Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διέλευσης (Transmission Electron Microscopy, ΤΕΜ) και υψηλής διακριτικής ικανότητας ΤΕΜ (High-Resolution ΤΕΜ, ΗRΤΕΜ). Ταυτόχρονα, η ανάλυση της παραμόρφωσης στη νανοκλίμακα πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας την απεικονιστική πειραματική μέθοδο της Γεωμετρικής Ανάλυσης Φάσης (Geometric Phase Analysis, GPA), αντλώντας λεπτομερή πειραματικά δομικά στοιχεία των υπό μελέτη συστημάτων σε νανοσκοπικό και ατομικό επίπεδο, από παρατηρήσεις ΗRTEM. Στην ετεροεπιταξιακή ανάπτυξη η κατανομή των ελαστικών πεδίων τάσεων και παραμορφώσεων, καθώς και η χημική τους σύσταση έχουν σημαντικό αντίκτυπο στις οποτοηλεκτρονικές τους ιδιότητες. Για τον σκοπό αυτό, ακολούθησαν υπολογισμοί-προσομοιώσεις των πεδίων τάσης-παραμόρφωσης και η αποτύπωση τους σε δυο ή/και τρεις διαστάσεις (2D – 3D) με την υπολογιστική μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Elements Method, FEM). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν συμπληρωματικές παρατηρήσεις ΤΕΜ Σάρωσης (Scanning TEM, STEM) και in-situ Φασματοσκοπίας Ενεργειακού Διασκορπισμού Ακτίνων-Χ (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy, EDS) για τον μορφολογικό χαρακτηρισμό και τον τοπικό προσδιορισμό της χημικής σύστασης των NWs πυρήνα/φλοιού, αντίστοιχα.