Streuung von Röntgenstrahlen an selbstorganisierten Halbleiter ...

1 Einführung
Sobald die Bewegung von Ladungsträgern in einem Halbleiter auf Dimensionen unterhalb der de-
Broglie-Wellenlänge beschränkt ist, führen Quantisierungseffekte im Gegensatz zum unendlich ausgedehnten
Festkörper auf diskrete Energieniveaus. Grenzt man die Beweglichkeit in allen drei
Dimensionen ein, entstehen sogenannte Quantenpunkte. Dabei unterliegen die Ladungsträger
neben dem räumlichen Confinement einer starken Coulomb Wechselwirkung. Ihrer besonderen
elektronischen und optischen Eigenschaften wegen können mit Quantenpunkten eine ganze Reihe
neuer technologischer Anwendungen wie Einzelelektronentransistoren [IsH97],–speicherbauelemente
[HiH01] und Quantenpunktlaser [BGH01] realisiert werden. Neben der Unterschreitung
einer bestimmten geometrischen Größe sind für die Applikation von Quantenpunkten in
optischen und elektronischen Bauelementen noch mindestens zwei weitere Forderungen zu
erfüllen. Erstens bedarf es mit Rücksicht auf eine geringe Dispersion der zu erzielenden
Eigenschaften einer hohen Konformität der Objekte, und zweitens müssen Rekombinationszentren,
wie sie durch Fehlanpassungsversetzungen gebildet werden, unbedingt vermieden werden.
Neben aufwendigen lithographischen Verfahren zeigt die Bildung von Stranski-Krastanow Inseln
durch elastischen Abbau von Deformationsenergie beim heteroepitaktischen Wachstum einen sehr
eleganten Weg zur Herstellung geordneter nulldimensionaler Strukturen auf, die die vorangestellten
Forderungen hinreichend gut erfüllen. Dabei kommt dem Gitterparameterunterschied zwischen
Schicht und Substrat insofern eine Schlüsselrolle für die erreichbaren Dimensionen der Objekte zu,
als dass mit zunehmend unterschiedlichem Gitterparameter die sich ausbildenden Inseln immer
kleinere Ausmaße aufweisen [Dor98]. Die während des zunächst planaren Wachstums
angesammelte Deformationsenergie kann in einem folgenden Wachstumsstadium über die Bildung
von Oberflächenverwellungen [CAM96] und später durch die Ausbildung von teils facettierten
Inseln auf Kosten einer erhöhten Oberflächenenergie wieder abgebaut werden. Dabei bleibt die
Kohärenz des Kristallgitters an der Phasengrenze unterhalb einer bestimmten Schichtdicke erhalten
[EaC90], und erst in einem späteren Stadium können sich Fehlanpassungsversetzungen bilden.
Durch die vermittelnde Wirkung des die Inseln umgebenden Deformationsfeldes können sich
Inselensembles außerordentlich hoher lateraler Ordnung herausbilden [SWR98], die durch das
vertikale Abscheiden mehrerer heteroepitaktischer Schichten übereinander noch forciert werden
kann [SHP98].
Der Wunsch nach gezielter Beeinflussung elektronischer und optischer Eigenschaften künstlicher
wie auch selbstorganisierter Strukturen erfordert Charakterisierungsmethoden, die Aussagen zu
Gestalt und Größe, chemischer Zusammensetzung und Deformationszustand im Inneren machen
können. Darüber hinaus lassen sich aus Konzentrations- und Deformationsprofilen indirekt
Rückschlüsse auf das Wachstum selbst ziehen. Konkret wurde in der vorliegenden Arbeit die
zerstörungsfreie Untersuchung von Stranski-Krastanow Inseln in den Systemen SiGe/Si(001) und
InP/InGaP/GaAs(001) betrieben. Dabei lag der Schwerpunkt auf hochaufgelöster Röntgenstreuung,
begleitet von Untersuchungen mit den direktabbildenden Verfahren Atomkraft- und
Rasterelektronenmikroskopie. Streuung kollimierter Röntgenstrahlung in Kombination mit
entsprechenden Simulationen ist eine etablierte Methode zur Charakterisierung heteroepitaktischer