Halbleiterbauelemente sind im täglichen Leben allgegenwärtig und haben in den letzten Jahrzehnten unseren Lebensstil vollkommen verändert.Während diemikro-elektronischen Bauelemente hauptsächlich auf Silizium-Technologie basieren, gewannen Anfang der 90-ziger Jahre Verbindungshalbleiter wie GaAs, GaN, CdHgTe oder ZnSe für opto-elektronische Bauelemente immer stärkere Bedeutung. Besonders der II-VI Halbleiter ZnSe war wegen seiner großen Bandlücke und seiner geringen Versetzungsdichte einer der größten Hoffnungsträger, blau emittierende Laserdioden zu realisieren. Wie sich später zeigte, weisen ZnSe-basierte blaue Laserdioden aber binnen kurzer Zeit eine ausgeprägte Degradation ihrer opto-elektronisch aktiven Schicht auf [Guha97]. Dies führte schließlich dazu, dass sich zur Produktion blau-grün emittierender Laserdioden das konkurrierende Halbleitermaterial GaN durchsetzte [Pearton99] und ZnSe in den Hintergrund gedrängt wurde. In jüngster Zeit aber erlebt das ZnSe Halbleitermaterial in spintronischen Bauelementen eine Renaissance [Fiederling99], und auch in Kombination mit Mg und Fe konnten interessante magnetische Eigenschaften nachgewiesen werden [Marangolo01,Marangolo02]. ZurHerstellung der oben erwähnten opto-elektronischen und spintronischen Schichtstrukturen wird hauptsächlich die Molekular-Strahl-Epitaxie (MBE) eingesetzt. Sie gewährleistet erstens eine geringe Defektdichte und einen hohen Reinheitsgrad der erzeugten Schichtstrukturen. Zweitens können die elektronischen Eigenschaften der so erzeugten Schichtstrukturen durchDotierung gezielt beeinflusstwerden. Für das Wachstum der ZnSe-basierten Schichtsysteme ist zum einen die genutzte Substratfläche entscheidend. Als mögliche Substratkristalle bieten sich Halbleitermaterialien wie GaAs und Germanium an, die gegenüber dem ZnSe-Kristall eine sehr kleine Gitterfehlanpassung aufweisen (< 0.3 %). Zum anderen nimmt die ZnSe Oberfläche eine wichtige Rolle ein, weil an ihr das Wachstum abläuft und ihre mikroskopischen Eigenschaften direkt das Wachstum beeinflussen. Die genauen Mechanismen dieses Wachstumsprozesses sind bis jetzt nur in Ansätzen verstanden (siehe z.B. [Pimpinelli99,Herman97]), weshalb die Wachstumsoptimierung meist auf empirischem Weg erfolgt. Aus diesem Grund besteht ein gesteigertes akademisches Interesse an der Aufklärung der mikroskopischen Eigenschaften der Halbleiteroberflächen. Für die Oberflächen von CdTe- und GaAs-Kristallen wurden diesbezüglich bereits zahlreicheUntersuchungen durchgeführt, die die geometrische und elektronische Struktur und dieMorphologie dieser Oberflächen analysieren.MitHilfe von experimentellen Methoden wie Rastertunnel-Mikroskopie (STM), Photoelektronen-Spektroskopie (PES, ARUPS) und verschiedenen Beugungsmethoden (SXRD,HRXRD und LEED) bzw. theoretischen Berechnungen (DFT) wurde das Verhalten dieser Oberflächen untersucht. Ihren Eigenschaften wird Modell-Charakter zugewiesen, der oft auf andere II-VI und III-V Halbleiteroberflächen angewendet wird. Überraschenderweise ist das Verhalten der ZnSe Oberfläche, obwohl sie so lange im Mittelpunkt der Forschung um den blauen Laser stand, weit weniger gut verstanden. Unter anderemexistieren für die geometrische Struktur der c(2×2)-rekonstruierten ZnSe(001)Wachstumsoberfläche zwei konkurrierende Strukturmodelle, die sich widersprechen. Ziel der nachfolgenden Abhandlung ist es, zuerst die geometrische Struktur und die Morphologie der verschieden rekonstruierten ZnSe(001) Oberflächen zu untersuchen und mit dem Verhalten anderer II-VI Oberflächen zu vergleichen. Dadurch soll festgestellt werden, welche Eigenschaften der II-VI Halbleiteroberflächen Modell-Charakter besitzen, also übertragbar auf andere II-VI Halbleiteroberflächen sind, und welche der Oberflächen-Eigenschaften materialspezifisch sind (siehe Tab. 5.1). Zweitens wird die geometrische Struktur und dieMorphologie der Te-passivierten Ge(001) Oberfläche untersucht. Diese Oberfläche ist wegen ihrer geringen Gitterfehlanpassung bzgl. des ZnSe Kristalls eine erfolgversprechende Substratoberfläche, um das ZnSe-Wachstum auch auf nicht-polaren Halbleiteroberflächen zu etablieren. Zur Untersuchung der geometrischen Struktur bzw. Morphologie der Halbleiteroberflächen wurden die zwei komplementären Methoden SXRD und SPA-LEED eingesetzt. Die oberflächenempfindliche Röntgenbeugung (SXRD) ermöglicht es, die geometrische Struktur, also den genauen atomaren Aufbau der Oberfläche, aufzuklären. Die hochauflösende niederenergetische Elektronenbeugung (SPA-LEED) hingegen liefert Informationen über die Morphologie, also die Gestalt der Oberfläche auf mesoskopischer Größenskala. Diese Untersuchungen werden durch hochauflösende klassische Röntgenbeugung (HRXRD), Rasterkraft-Mikroskopie (AFM), hochauflösender Photoelektronen-Spektroskopie (PES, ARUPS) und Massen-Spektroskopie (QMS) ergänzt. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in folgende drei Teile: Zuerst wird in die SXRD und SPA-LEED Methoden eingeführt, mit denen hauptsächlich gearbeitet wurde (Kapitel 2). Anschließend werden die experimentellen Untersuchungen an der Te/Ge(001) Oberfläche und an den verschieden rekonstruierten ZnSe(001) Oberflächen vorgestellt (Kapitel 5 bis 8). Im dritten und letzten Teil werden schließlich die wichtigsten Ergebnisse und Schlussfolgerungen zusammengefasst (Kapitel 9). / The field of II-VI compound semiconductors has attracted considerable interest, due to important progress in the fabrication of electronic and opto-electronic devices. Since interface effects are often important in thin film systems, a good knowledge of the electronic and geometric structure of surfaces and interfaces is indispensable to design optimized devices. For example, to achieve high-quality pseudomorphic growth of II-VI compound thin films on III-V substrates a detailed knowledge about the II-VI/III-V interface and the II-VI surface is essential. An example of recent progress in this field is the c(2×2)-reconstructed ZnSe(001) surface. However, there is still an ongoing discussion concerning the exact geometric structure of the c(2×2)-reconstructed ZnSe(001) surface, which is somewhat surprising, since this system has been extensively investigated in the past and is considered to be a model-system for II-VI MBE growth. Also the hetero-epitaxial growth of compound semiconductors on surfaces such as silicon or germanium is strongly affected by the chemical bonding at the interface. Therefore, in this work the geometric and morphologic structure of the reconstructed ZnSe surface is investigated and compared to other II-VI surfaces. Furthermore, the morphologic structure of the Te covered Ge(001) surface is analyzed to decide whether Te provides better growth conditions for ZnSe films on the Ge(001) surface. The crystallography of surfaces has been investigated primarily by surface x-ray diffraction performed at the Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB) at the Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) inHamburg and themorphology of surfaces by high resolution low energy electron diffraction (SPA-LEED), which was implemented in the MBE-machine of Experimentelle Physik III. Additional experimental techniques used were photoelectron spectroscopy (PES), atomic force microscopy (AFM), quadrupole mass spectroscopy (QMS), and high resolution x-ray diffraction (HRXRD). As shown by SPA-LEED, the Te covered Ge(001) surface is a strained surface, which results in a missing row reconstruction. Large Te covered domains of the surface are interrupted by long parallel rows without adsorbates. This arrangement allows the Te rows to expand laterally into the Te-free rows and lowers the stress of the Te covered Ge(001) surface. This is also achieved by double steps,which also exist on the Te covered Ge(001) surface. By annealing the Te covered Ge(001) surface Te desorbs, and the randomly arranged missing rows form an ordered grating, the period of which increase if the Te coverage is reduced. When the tellurium is completely desorbed, the surface shows the well-known (2×1)-reconstruction of a clean Ge(001) surface. Furthermore, a (113)-faceting of the (001) surface occurs during Te adsorption at higher substrate temperatures. For these reasons, the Te covered Ge(001) surface is not suited as a substrate for the ZnSe growth. However, the stripe pattern of this surface may be adapted as a template for a preferential adsorption of, e.g., organic molecules. Using high-resolution low-energy electron diffraction (SPA-LEED) correlations of neighboring superstructure domains of the ZnSe(001) surface across steps are found. These steps run along the [110]- and [1¯10]-directions at the (2×1)-reconstructed ZnSe(001) surface and formso-called incommensurate domainwalls. This behavior of the ZnSe(001) surface is in contrast to the behavior of the CdTe(001) surface. It may be explained by the different elastic properties of the ZnSe and the CdTe crystal, respectively. At the c(2×2)-reconstructed surface the neighboring superstructure domains are correlated across [100]- and [010]-oriented steps. This is well known from sputtered and annealed ZnSe surfaces by the work of Chen et al. [Chen02]. We show that this is also true for MBE grown ZnSe surfaces and, therefore, the correlations of the superstructure domains are an intrinsic property of the c(2×2)-reconstructed ZnSe(001) surface. The ZnSe(001) surface sublimates at temperatures above 450 ◦C. In contrast to Cd-Te(001), deep cavities arise during sublimation. Since this sublimation temperature is much higher than the growth temperature, sublimation does not affect the growth of ZnSe. Also the ZnSe/GaAs layer-system shows an unexpected morphologic effect. As normal for metal surfaces, above a critical thickness of 100 nm the topmost ZnSe layer relaxes by forming large mosaic domains, which are tilted by 0.2◦ with respect to the macroscopic surface. The misfit of the ZnSe/GaAs interface probably induces this formation of mosaic domains. The geometric structure of the c(2×2)-reconstructed ZnSe(001) surface is studied by surface X-ray diffraction performed under ultra-high vacuum using synchrotron radiation, which reveals the precise atomic geometry. The results are in excellent agreement with the Zn-vacancy model proposed earlier on the basis of density functional theory calculations [Park94]. The Se-vacancy model [Ohtake99b], which challenges this theoretical calculation, can be excluded on the basis of our measurements. The special morphologic properties of the (2×1)-reconstructed ZnSe surface prohibit a precise quantitative analysis of the surface structure. Nevertheless, it was discovered that asymmetrical translated Se-dimers, which are well-known from the Si(001)-(2×1) and Ge(001)-(2×1) surfaces, but unexpected from the theoretical point of view for the ZnSe surface, form on the reconstructed surface. These findings are confirmed by PES-measurements.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:1094 |
| Date | January 2005 |
| Creators | Weigand, Wolfgang |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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