Профилирование состава гетеронаноструктур методами Z-контраста и рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии Малехонова Наталья Викторовна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Теоретическое обоснование метода Z-контраста 12

1.1. Элементный анализ методом рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии в просвечивающей электронной микроскопии 12

1.2. Влияние атомного рассеивания на формирование Z-контраста в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии 20

1.3. Формирование контраста на снимках сканирующей просвечивающей электронной микроскопии 24

Глава 2. Метод построения профиля распределения элементного состава методом Z-контраста и сопоставление с методом ЭДС 32

2.1 Описание просвечивающего электронного микроскопа JEM 2100F (JEOL) 33

2.2. Подготовка структур к исследованию поперечного среза 38

2.3. Методика построения профиля распределения элементного состава по Z-контрасту на примере сверхрешетки AlGaAs/GaAs 41

2.4. Сопоставление профилей Z-контраста и результатов ЭДС-анализа 48

Глава 3. Исследование состава гетеронаноструктур на основе полупроводников А3В5

3.1. Определение пространственного разрешения метода профилирования элементного состава по Z-контрасту на примере сверхрешетки AlGaAs/GaAs. 53

3.2. Сопоставление геометрических параметров сверхрешетки AlGaAs/GaAs с результатами измерений их фотолюминесценции 59

3.3. Сопоставление измерений элементного состава методом Z-контраста с результатами моделирования методом Монте-Карло на примере сверхрешеток InGaAs/GaAs с двойными туннельно-связанными квантовыми ямами 64

3.4. Исследование профиля распределения элементного состава сверхрешеток InGaAs/GaAs со сложным периодом 68

3.5. Исследование гетероструктур с квантово-размерным слоем GaAsSb 77

3.6. Профилирование Z-контраста при исследовании полей упругих

деформаций в гетеронаноструктурах на основе полупроводников A3B5 82

Глава 4. Исследование токопроводящих филаментов в мемристорах на основе стабилизированный иттрием диоксид циркония, подвергнутых электроформовке

Выводы 105

Заключение 106

Список используемой литературы 107

• Формирование контраста на снимках сканирующей просвечивающей электронной микроскопии
• Подготовка структур к исследованию поперечного среза
• Сопоставление геометрических параметров сверхрешетки AlGaAs/GaAs с результатами измерений их фотолюминесценции
• Исследование профиля распределения элементного состава сверхрешеток InGaAs/GaAs со сложным периодом

Введение к работе

Актуальность темы. Для изучения и оценки качества современных квантоворазмерных гетеронаноструктур чрезвычайно востребованы методы измерения их элементного состава, обладающие одновременно высоким пространственным разрешением и высоким разрешением по концентрации химических элементов. Существующие аналитические методы позволяют с точностью до долей атомного процента определять состав структуры, однако их пространственное разрешение не достигает точности, востребованной на практике. Следовательно, применение таких методик ограниченно в случаях, когда необходимо реализовать профилирование элементного состава гетеронаноструктур с субнанометровой точностью.

В настоящей работе продемонстрировано, что во многих случаях достаточно корректно и эффективно можно разрешить эту проблему путём комплексного применения двух методов аналитической просвечивающей электронной микроскопии – рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) и сканирующей просвечивающей электронной микроскопии в темнопольном режиме (СПЭМ_DF-dark field – темное поле).

Метод ЭДС позволяет определить концентрацию элементов с точностью до долей атомного процента. При этом его пространственного разрешения не достаточно для разделения близко расположенных нанометровых включений. Также энергодисперсионный анализ не позволяет оценить шероховатость гетеропереходов, информация о которых имеет решающее значение в ряде прикладных задач.

СПЭМ_DF позволяет получать изображения, интенсивность контраста на которых связана прямым соотношением с рассеивающей способностью атомов, входящих в состав гетеронаноструктуры и их концентрацией под пучком электронов. Такой контраст называется Z-контрастом. Применив метод профилирования Z-контраста на СПЭМ снимках, возможно с высоким пространственным разрешением качественно определить распределение примесей в исследуемых объектах. Недостатком такого подхода является отсутствие привязки контраста на снимках, полученных в сканирующем режиме просвечивающей электронной микроскопии, к количественным значениям концентрации элементов, приводящих к его возникновению. Исходя из того, что рассеяние электронов определяется характеристичным для каждого типа атомов фактором рассеяния, оказывается возможным произвести калибровку профиля Z-контраста по данным независимых количественных методов определения элементного состава. И такая калибровка была реализована в рамках настоящей работы, а в качестве средства измерения для калибровки нами был использован энергодисперсионный рентгеновский электроннозондовый анализ. В результате нам удалось объединить в рамках одной серии измерений сильные стороны каждого из двух описанных выше методов. Стало возможным строить профили элементного состава с пространственным разрешением сканирующей просвечивающей электронной

микроскопии и точностью элементного анализа энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.

Открывшиеся, таким образом, возможности для количественного измерения элементного состава с высоким пространственным разрешением нами были реализованы на ряде гетероэпитаксиальных структур. Профили распределения индия в сверхрешетках InGaAs/GaAs были экспериментально подтверждены теоретическими моделями процессов их эпитаксиального роста. Некоторые результаты были проверены путем сопоставления с данными измерений оптоэлектронных свойств исследуемых структур.

Кроме того, разработанная в рамках настоящей работы методика была применена для поиска и изучения токопроводящих филаментов в мемристорных структурах, созданных на основе стабилизированного иттрием диоксида циркония.

Цель работы: разработать метод профилирования элементного состава

полупроводниковых гетеронаноструктур на основе совокупности методов Z-контраста и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

1. разработать методику построение профилей Z-контраста по снимкам, полученным методом сканирующей просвечивающей электронной микроскопии;

2. реализовать калибровку профилей интенсивности Z-контраста по данным об элементном составе, полученным методом рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии;

3. определить пространственное разрешение метода профилирования элементного состава по Z-контрасту для микроскопа JEM-2100F (JEOL);

4. апробировать метод на различных полупроводниковых гетеронаноструктурах типа А³В⁵;

5. применить метод Z-контраста для поиска токопроводящих филаментов в мемристорных структурах на основе диоксида циркония, подвергнутых электроформовке.

Научная новизна работы.

6. Предложена оригинальная методика обработки снимков гетеронаноструктур, полученных в режиме сканирующей просвечивающей электронной микроскопии, с использованием математического аппарата и программного обеспечения, применяемых в сканирующей зондовой микроскопии.

7. Установлено соответствие между результатами моделирования роста квантоворазмерных гетероструктур методом Монте-Карло и экспериментальными данными профилирования Z-контраста. Продемонстрирована возможность применения этих методов для решения широкого круга задач по проектированию сверхрешёток на основе полупроводников A³B⁵.

3. Экспериментально показано, что метод профилирования Z-контраста не позволяет разделять в многокомпонентных твёрдых растворах химические элементы, находящиеся близко друг к другу в рамках одного периода таблицы Менделеева.

4. Продемонстрирована возможность совместного применения метода профилирования элементного состава по Z-контрасту и метода профилирования упругих деформаций по фазовому контрасту для получения исчерпывающей информации о распределении напряжений в многокомпонентных твёрдых растворах на основании полупроводников A³B⁵.

5. Установлено, что метод Z-контраста в сочетании с ЭДС анализом позволяет выявить токопроводящие филаменты в мемристорных структурах на основе ZrO2 (12 мол.% Y2O3), подвергшихся электроформовке.

Методология, теоретическая и практическая значимость работы.

Продемонстрирована возможность повышения пространственного разрешения

профилирования элементного состава гетеронаноструктур за счёт комплексного применения методов рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии и Z-контраста.

Определено пространственное разрешение метода профилирования элементного состава по Z-контрасту для просвечивающего электронного микроскопа JEM-2100F (JEOL). Оно составило 3.

Продемонстрирована возможность выявления методом профилирования Z-контраста ультратонких слоёв изовалентных примесей в полупроводниковых гетеронаноструктурах на примере трёхкомпонентного твёрдого раствора GaAsP.

Экспериментально подтвержден механизм переключения логических состояний в мемристорах через формирование локальных токопроводящих областей (филаментов) под действием электроформовки.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика построения усреднённых профилей Z-контраста с последующей её калибровкой на основе данных рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии позволяет осуществлять высокоточный анализ пространственного распределения состава в гетеронаноструктурах с латеральным разрешением до 3 и с разрешением по концентрации до 1 атомного процента.

2. Измеряемые по такой методике концентрационные профили многослойных квантоворазмерных гетеронаноструктур на основе полупроводников A³B⁵ позволяют оценивать степень сегрегации и диффузии примесей, рассчитывать глубину и форму

квантовых ям, положение энергетических уровней, ширину минизон, матричные
элементы межзонных переходов и предсказывать их оптоэлектронные свойства.
3. Метод Z-контраста позволяет осуществить локализацию и определить геометрию
токопроводящих филаментов в мемристорных гетеронаноструктурах на основе
диоксида циркония, подвергнутых электроформовке, а рентгеновский

энергодисперсионный анализ даёт информацию об их элементном составе. В результате была экспериментально подтверждена гипотеза о перераспределении кислорода в области филаментов, возникающих в стабилизированных иттрием нанослоях ZrO2 (12 мол.% Y2O3).

Достоверность результатов экспериментальной части работы была обеспечена благодаря
применению в рамках исследования совокупности независимых методов высокоразрешающей
просвечивающей электронной микроскопии с последующей оценкой статистической

повторяемости результатов. Экспериментальная часть исследования была подтверждена теоретическими моделями, и согласуется с результатами, опубликованными в более ранних работах.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XXIV Российской конференции по электронной микроскопии "РКЭМ-2012" (2012 г. Россия, г. Черноголовка), XVI международном симпозиуме "Нанофизика и наноэлектроника" (2012 г. Россия, г. Н. Новгород), XVIII Российской конференции по электронной микроскопии "РКЭМ-2013" (2013 г. Россия, г. Черноголовка), XVII международном симпозиуме "Нанофизика и наноэлектроника" (2014 г. Россия, г. Н. Новгород), XXV Российской конференции по электронной микроскопии "РКЭМ-2014" (2014 г. Россия, г. Черноголовка).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 20 научных и учебно-методических работ, включая 1 учебно-методическое пособие, 8 статей в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 11 публикаций в сборниках трудов и тезисах докладов российских и международных научных конференций.

Личный вклад автора. Автор работы самостоятельно определяла направление исследований и лично проводила обработку данных высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, полученных на объектах, изготовленных в НИФТИ ННГУ им. Н.И.Лобачевского. Ею самостоятельно разработан метод обработки снимков сканирующей просвечивающей электронной микроскопии с применением математического аппарата и

программного обеспечения, применяемых в сканирующей зондовой микроскопии. Все представленные в диссертационном исследовании объекты были подготовлены для изучения на просвечивающем электронном микроскопе автором настоящей работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения. Общий объём диссертации составляет 118 страниц, включая 60 рисунков. Список цитируемой литературы включает 66 наименований.

Формирование контраста на снимках сканирующей просвечивающей электронной микроскопии

Механизм возникновения линейчатого спектра характеристического рентгеновского излучения в первом приближении может быть описан в приближении электронных конфигураций.

В квантовой механике доказано, что вероятность взаимодействия электрона-снаряда и внутреннего электрона атома растет с увеличением плотности пространственного распределения электронной плотности, т.е. с величиной квадрата модуля волновой функции одноэлектронного состояния 2. Следовательно, наиболее вероятным будет взаимодействие электрона-снаряда с электронами оболочки 1s, у которого главное квантовое число n=1. Если при этом кинетическая энергия электрона, бомбардирующего атом, превышает энергию связи внутреннего электрона, то последний может оторваться от атома. Произойдет ионизация атома на электронном К-слое, и в электронной оболочке 1s образуется вакансия. При ионизации атом получает энергию, равную энергии связи удаленного электрона, и поэтому атом переходит в возбужденное состояние. Возбуждение атома может сняться путем заполнения вакансии электроном из другой оболочки, обладающей большей энергией, а разность энергий может быть унесена из атома фотоном. Энергия такого фотона дается уравнением сохранения энергии = Еn2 – En1 где Еn2 и En1 – энергии стационарных состояний, между которыми произошел переход. При этом энергия атома уменьшится на разность энергий верхнего и нижнего стационарных состояний. Так как каждый атом обладает определенным дискретным набором одноэлектронных стационарных состояний, то спектр испускаемых фотонов имеет линейчатый вид. Таким образом, ХРИ образуется радиационными переходами электронов при заполнении вакансий во внутренних электронных оболочках [4].

Поскольку характеристическое рентгеновское излучение имеет конкретную энергию, соответствующую каждому элементу, то, измеряя энергию пика излучения, можно проводит идентификацию элементов. При этом, измеряя интегральную интенсивность пика, можно определить количественное содержание данных элементов в веществе [4,8]. Спектрометр с энергетической дисперсией создан на базе полупроводникового детектора, формирующего электрические импульсы, пропорциональные энергии рентгеновского фотона, которые затем сортируются по величине многоканальным анализатором для получения рентгеновского спектра. Поступающие в многоканальный анализатор импульсы быстро обрабатываются и суммируются в каждом канале анализатора; время набора импульсов устанавливается оператором (например, 30 или 100 с) [3].

На рисунке 1.4 показан поперечный разрез детектора энергодисперсионного спектрометра, установленного на камере образцов. Рис. 1.4. Вид в разрезе энергодисперсионного рентгеновского детектора, установленного на камере образцов. ACS - система предотвращения загрязнения камеры образцов газовыделением образца [3]. Большая часть падающих электронов может проходить через тонкую пленку, и она используется для создания изображения проходящих электронов, рассеяние падающих электронов в тонком образце гораздо меньше, чем в массивном образце, и можно ожидать, что пространственное разрешение при анализе тонкопленочного образца будет выше. Основными факторами, определяющими пространственное разрешение, являются ускоряющее напряжение, диаметр пучка, толщина образца и плотность образца [3]. Однако, из-за малой толщины образца вероятность выхода ХРИ невелика, поэтому необходимо увеличить время накопления сигнала, которое может достигать нескольких минут, что часто приводит к дрейфу образца под пучком электронов из-за нагрева структуры воздействием высокоэнергичных электронов. В результате, снижается пространственное разрешение ЭДС-анализа.

В качестве примера рис.1.5а изображена сверхрешетка InGaAs/GaAs с семью тонкими тунельно-связанными квантовыми ямами (КЯ) в каждом периоде. Между периодами были эпитаксиально выращены слои GaAsP. На снимке они выделяются более светлым контрастом, а слои, содержащие индий - более темным. На ЭДС-профиле (рис. 1.5б) фосфидные слои, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, хорошо различимы. В тоже время профиль индия в той же структуре, показанный на рисунке 1.5в, демонстрирует недостаточное разрешение метода ЭДС для измерений состава в отдельных близко расположенных квантовых ямах [10].

Подготовка структур к исследованию поперечного среза

Сканирующий режим осуществляется с помощью верхней части объективной линзы, благодаря которой формируется электронный зонд диаметром 0,7 нм, который перемещается дефлекторами по заданной траектории сканирования на поперечном срезе исследуемого объекта. В результате формируется поточечная картина выбранной области исследования (рис. 2.3).

СПЭМ является эффективным инструментом для получения достоверной информации о распределении элементного состава в наноструктурах с разрешением, близким к атомному. Такое положение вещей имеет место в случае наличия значительных различий в атомных номерах химических элементов локализованных тем или иным образом в области проведения исследований.

Для формирования СПЭМ-изображения промежуточные линзы микроскопа не используются, а с образцом взаимодействует узкосфокусированный пучок электронов. Благодаря этому дефекты в исполнении линз не влияют на получаемое изображение, к минимуму также сведены сферические аберрации и астигматизм.

Контраст в СПЭМ более гибко настраивается, чем в ПЭМ, поскольку путем изменения длины камеры L изменяется угол сбора детектора и таким образом создается, по сути, переменная апертура объектива. Для того, чтобы получить необходимую интенсивность изображения при сканировании варьируется диаметр пучка и размер конденсорной апертуры. В рамках настоящей работы в большинстве случаев, за исключением специально оговорённых, использовался электронный зонд сечением 0,7 нм.

Критическим условием получения качественных изображений с использованием просвечивающей электронной микроскопии является высокое качество препарирования объекта исследований: его заготовка должна иметь диаметр 3 мм, толщина образца в области исследования составляет порядка 2030 нанометров, при этом образец должен быть избавлен от возможных дефектов, возникающих при подготовке образца [6].

Процесс препарирования образцов в целом носит нетривиальный характер, и в значительной степени зависит от свойств исследуемого материала. При этом существует ряд наиболее общих операций, приведённых ниже.

На начальной стадии технологии подготовки образцов к исследованию необходимы прямоугольные пластинки объектов исследования размером 45 мм. Они выпиливаются с помощью установки, представленной на рисунке 2.4. Затем очищенные и обезжиренные эти пластины склеиваются тонкоплёночной структурой на встречу друг к другу в «пакет» с применением эпоксидной смолы. С внешних сторон это стека приклеиваются жертвенные слои кремния или тонкого стекла (рис. 2.5 а). Подготовленный таким образом стек образцов фиксируется тефлоновым каркасом с применением тисков – тем самым обеспечивается его правильна форма. Затем стек зажимается струбциной (или пружинным зажимом) (рис. 2.5б), которая создает давление, способствующее равномерному распределению клея и вытесняет его излишков. После чего, пружинный зажим вместе с образцом нагревают до 130 0С в течении 30 мин.

Затем из полученного «пакета» образцов высверливается цилиндрический столбик диметром 2,3 мм, который в дальнейшем вклеивается в металлическую трубку, для предания образцу необходимой формы и прочности (Рис.2.6.). Рис. 2.6. Высверливание цилиндра из пакета образцов и вклеивание его в металлическую трубку [35]. Полученная трубочка закрепляется в держателе и распиливается дисковой пилой с алмазным покрытием на «блины» толщиной порядка 600 мкм (Рис.2.7.). а) б) Рис. 2.7. а) Внешний вид установки для распиливания трубочки; б) схематическое изображение процесса и вид получаемого образца. После того, как диск вырезан, центральная часть самоподдерживающегося образца должна быть утонена. Механическое утонение производится на шкурке с помощью специального устройства Disc Grinder Gatan (рис.2.8а). Дальнейшее утонение делают формированием лунки в центре с помощью специального прецизионного устройства Dimple Grinder Gatan (рис.2.8б)

Завершающей стадией препарирования является ионное травление, где утонение происходит за счет прецизионной бомбардировки образца ионами аргона. Условия травления задаются углом падения ионов к плоскости образца (30 100) и ускоряющим напряжением, которое варьируется в диапазоне от 1 кэВ до 5 кэВ. [6,35]Травление осуществляется на установке PIPS(Gatan) 691 (Precision ion polishing system).

При обработке изображений нами применялось современное программное обеспечение и аналитические методы. Первичная обработка СПЭМ-снимков осуществляется при помощи специального программного пакета Digital Micrograph, разработанного фирмой Gatan. Здесь проводится первичная калибровка изображений, обрезка и фильтрация шумов [36]. Профилирование Z 42 контраста нами производилось с помощью программ SPMLab или Gwyddion, предназначенных для обработки топографических изображений сканирующей зондовой микроскопии. Данные программные пакеты так же позволяют вычесть фон, возникающий за счёт эффекта толщины, сгладить шумы, провести измерения локальных особенностей Z-контраста на СПЭМ-снимке, инвертировать изображение, подобрать яркость, осуществить профилирование и т.д. Рассмотрим процесс построения профиля распределения элементного состава на примере сверхрешетки (СР) AlGaAs/GaAs. Структуру для исследований предоставил старший научный сотрудник НИФТИ Байдусь Н.В.

Гетероструктура была выращенная методом МОС-гидридной эпитаксии [37] при пониженном давлении на установке AIX 200RF в научно-исследовательском физико-техническом институте ННГУ Бирюковым А.А. Для роста использовалась проводящая подложка GaAs (001), имеющая отклонение от точной ориентации 20. Источниками элементов являлись триметилгаллий, триметилалюминий и арсин. Скорость роста составляла 0,2 – 0,3 нм/с. Структура СР насчитывала 100 периодов, в каждом периоде предполагалось получить квантовую яму 6,5 нм и барьер 4,2 нм, буферный и покровный слой составляли 15 нм.

Сопоставление геометрических параметров сверхрешетки AlGaAs/GaAs с результатами измерений их фотолюминесценции

Подобным же образом выглядит концентрационное распределение сурьмы и в случае двухслойной квантовой ямы (рис. 3.22 б). Кроме того, энергодисперсионный анализ выявил протяженную область (около 35 нм) перекрытия концентрационных профилей In и Sb в двухслойной квантовой яме. Максимум концентрационных профилей разнесен на расстояние порядка 10 нм. Это значение можно считать оценкой расстояния между потенциальной ямой для электронов в слое InGaAs и потенциальной ямой для дырок в слое GaAsSb. Концентрационный профиль, построенный по Z-контрасту СПЭМ_DF снимков, не позволяет проиллюстрировать перекрытие распределения индия и сурьмы в квантовой яме. Вместе с тем он подтверждает положение максимумов концентрационных профилей In и Sb.

Эффекты влияния термического отжига на фотолюминесценцию, наблюдаемые для одиночной квантовой ямы GaAsSb, известны из литературы и их связывают с диффузионным перемешиванием на гетерогранице барьер/квантовая яма. В системе материалов GaAsSb/GaAs высокотемпературное воздействие приводит к проникновению сурьмы в барьеры GaAs, расплыванию границ квантовой ямы и эффективному уменьшению ее глубины [51,52]. Как следствие, увеличивается энергия основного перехода (наблюдается синий сдвиг в спектре фотолюминесценции) [52]. Аналогичным образом термический отжиг влияет и на фотолюминесцентные свойства одиночной квантовой ямы InGaAs/GaAs. В данном случае происходит взаимодиффузия In и Ga на границе раздела барьер/квантовая яма, причем в подрешетке элементов третьей группы этот процесс идет с участием вакансий галлия [53].

Отличающееся поведение излучательных характеристик двухслойной квантовой ямы в результате отжига может быть обусловлено тем, что, кроме процессов диффузионного перемешивания на границах раздела слоев InGaAs и GaAsSb с барьерами GaAs, происходит взаимная диффузия элементов в подрешетках элементов и III и V групп в области металлургической границы раздела слоев InGaAs/GaAsSb. Учитывая результаты просвечивающей электронной микроскопии и энергодисперсионного анализа, можно предположить, что наблюдаемые эффекты термического отжига могут быть связаны с образованием области четверного твердого раствора InGaAsSb и соответствующими изменениями зонной структуры, приводящими в итоге к уменьшению энергии излучения двухслойной квантовой ямы.

В качестве итога можно заключить, что в слое одиночной квантовой ямы GaAsSb распределение сурьмы носит неоднородный (асимметричный) характер, что является следствием сегрегации в процессе роста и диффузионного перераспределения. При создании близкорасположенных квантовых ям со слоями InGaAs и GaAsSb происходит образование четырёхкомпонентного твёрдого раствора InGaAsSb, что приводит к уменьшению энергии излучения двухслойной квантовой ямы. В чистом виде метод профилирования Z-контраста не позволяет разделять различные химические элементы близкие по атомному номеру в подобных многокомпонентных твёрдых растворах. Таким образом, следует констатировать, что настоящий метод ограничен в своей применимости без его согласования с энергодисперсионным анализом. 3.6. Профилирование Z-контраста при исследовании полей упругих деформаций в гетеронаноструктурах на основе полупроводников A3B5

Структуру и спектры фотолюминесценции предоставили Байдусь Н.В., Вихрова О.В., Звонков Б.Н. Наличие информации о распределении деформационных полей в гетеронаноструктурах (ГНС) является необходимым условием их проектирования. Для сбора этой информации применяется комплекс методов просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HR TEM) на поперечном срезе [54], в который входят метод геометрической фазы, метод Z-контраста и энергодисперсионный анализ.

В качестве объекта такого исследования мы рассмотрим структуру с массивом квантовых точек (КТ) InAs/GaAs (001), выращенную методом газофазной МОС-гидридной эпитаксии в установке AIX 200RF в лаборатории зпитаксиальной технологии НИФТИ ННГУ. В процессе роста перед осаждением индия производилось формирование захороненного дельта-слоя состава GaAsxP1-x. Фосфидирование осуществлялось путем выдержки ростовой поверхности в потоке фосфина при температуре 550С при прерывании потока галлия. Время выдержки в потоке фосфина составляло 3 минуты. Целью настоящего исследования было определить влияние фосфидированного слоя на формирование ГНС посредством создания полей упругих деформации отрицательного знака в области формирования КТ.

Запланированную структуру для исследования наглядно можно представить с помощью следующей модели (рис. 3.23), согласно которой в гетероструктуре должны были быть сформированы три слоя квантовых точек InAs.

Исследование профиля распределения элементного состава сверхрешеток InGaAs/GaAs со сложным периодом

Пленка ZrO2(12 мол.% Y2O3) имеет поликристаллическую структуру. Кристаллиты ориентированы нормально к поверхности плёнки и имеют поперечные размеры 20нм (см. рис. 4.4 б). Шероховатость верхней поверхности поликристаллической плёнки диоксида циркония приводят к образованию неоднородностей у верхнего электрода, которые выступаю в качестве концентраторов электрического поля. Напряжённость электрического поля в области таких концентраторов может достигать 106 В/см. В этих областях при прохождении электрического тока локально повышается температура и происходит перераспределение атомного состава в оксиде, в результате чего образуются токопроводящие филаменты, представляющие собой, предположительно, области избыточной концентрации кислородных вакансий, по которым реализуется проводимость электронов [X]. Именно такой филамент был нами обнаружен сначала на СПЭМ-снимке в режиме светлого поля, а затем и в темнопольном режиме. Необходимо также отметить, что обнаруженный нами токопроводящий канал практически не проявлялся на изображениях даже высокого, атомарного, разрешения, полученных в режиме широкого пучка просвечивающего электронного микроскопа.

На светлопольном СПЭМ-снимке на рисунке 4.5 видна область слабого затемнения контраста справа и слева от кристаллического домена, выделяющегося на изображении ярким тёмным контрастом. Поперёк этой исследуемой структуры методом ЭДС-анализа был измерен профиль распределения концентрации Zr и O. В результате по обе стороны от кристаллического домена диоксида циркония был выявлен спад концентрации кислорода. Рис. 4.5. СПЭМ(BF)-снимок в области формирования филамента с двумя параллельными профилями распределения состава поперек филамента.

Для подтверждения настоящего результата был исследован ряд схожих по строению образцов, подвергшихся одинаковому воздействию формовки. Эта новая серия исследований была проведена в темнопольном сканирующем режиме (ADF) с целью исключения наложения структурных факторов рассеяния электронов на формирование Z-контраста.

На рисунке 4.7 показан такой ADF СПЭМ-снимок. Яркий светлый контраст внизу и вверху снимка соответствует слоям, содержащим тяжелые металлы Au (Z=79) и Ti (Z=81). В центре снимка, в слое стабилизированного диоксида циркония наблюдаются явно выраженные особенности Z-контраста, связанные с перераспределеним состава плёнки диоксида и/или изменением плотности материала электрическим полем. Область в центре пленки ZrO2, отличающаяся светлым контрастом, по данным ЭДС-анализа выделяется от окружающей её матрицы диоксида повышенной концентрацией циркония. Такая локальная особенность указывает на то, что в исследуемой области в процессе формовки произошло образование филамента. Предположительно, на формирование филамента именно в этой области повлияло наличие локального выступа в геометрии верхнего золотого контакта (концентратора электрического поля).

Цифровая обработка DF СПЭМ-снимка (рис. 4.8) позволила построить усредненные профили распределения яркости контраста поперёк филамента и напрямую сопоставить эти данные с результатами ЭДС-анализа (рис.4.8).

Это сопоставление показало, что локализация повышенной концентрации циркония с нанометровой точностью совпадает с областью светлого Z-контраста на DF СПЭМ-снимке. На рисунке 4.9 видно, что пики повышенной концентрации циркония совпадают с краями области, отличающейся светлым контрастом.

Исходя из физической природы Z-контраста, можно сделать предположение о том, что светлый контраст на тёмнопольном изображении в данном случае возникает в следствии образования при электроформовке в области филамента металлических включений циркония, отличающихся большей плотностью по сравнению со стабилизированным диоксидом циркония и более высоким атомным фактором рассеяния.

Недостаточно определённой на данный момент остаётся причина отсутствия повышенной концентрации циркония в центральной части филамента по данным ЭДС-анализа. Такой эффект может быть связан с реальной структурой токопроводящей области и особенностями окружающих его кристаллитов диоксида циркония. При этом необходимо отметить, что само наличие областей с повышенной концентрацией Zr в исследованных структурах, подвергшихся электроформовке, является достоверно подтверждённым нами фактом, многократно проверенным на большой выборке образцов. Для его убедительной иллюстрации на рисунках 4.8 а,в показаны в сравнении темнопольные СПЭМ-снимки двух одинаковых структур, одна из которых была подвергнута электроформовке, а вторая - нет. Там же приведены профили элементного состава, измеренные методом энергодисперсионной спектроскопии для каждой из них. Между ними очевидны подробно описанные выше различия как в элементном составе, так и по Z-контрасту.