In(Ga)N (0001)-Oberflächen: Präparation und atomare/elektronische Struktur
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projektes war es, die wachstumsrelevanten (0001) Oberflächen von ternärem InxGa1-xN mit verschiedenem Indium-Gehalt (0 ≤ x ≤ 1) gut definiert und wohlgeordnet zu präparieren und hinsichtlich ihrer elektronischen, optischen und chemischen Eigenschaften zu charakterisieren. Die InxGa1-xN Schichten wurden mittels MOVPE auf c-planares GaN oder nitridiertes Saphir gewachsen. Speziell für den letzten Fall konnten wir die Wachstumsbedingungen deutlich optimieren und InxGa1-xN Schichten im gesamten Kompositionsbereich (0 ≤ x ≤ 1) abscheiden. Abhängig von den Wachstumsbedingungen ließen sich so Gruppe-III bzw. N-polare Orientierungen einstellen, wobei diese speziell durch die Nitridierungsschicht bestimmt werden. Da es für die hier betrachteten dünnen (< 100nm) InxGa1-xN Schichten nur indirekte und unzureichende Methoden zur Polaritätsbestimmung gab haben wir die Bestimmung der Polarität mittels XPS-Valenzbandspektroskopie weiterentwickelt und deren Anwendbarkeit auch für dünne polare und semi-polare InN, GaN und auch InGaN Schichten nachgewiesen und angewendet. Die so präparierten InxGa1-xN Schichten wurden anschließend für die Oberflächenpräparation bzw. Analyse verwendet. Wir konnten hierbei zeigen, dass sich durch thermisches Ausheilen (Annealing) unter Ultrahochvakuum-Bedingungen (UHV) bzw. im Stickstoffplasma saubere, rekonstruierte Oberflächen präparieren lassen. Als optimale Dekontaminationsbedingung zeigte sich das Heizen im Stickstoffplasma für ca. 10 min bei 710°C. Zusätzlich ermöglichte die Präparation in einem Stickstoffplasma die Variation der Oberflächenstöchiometrie, so dass sich chemisch unterschiedliche Rekonstruktionen einstellen ließen, die sich bezüglich ihrer Symmetrie deutlich unterschieden. So konnten wir für InxGa1-xN (0001) mit einem In-Anteil bis zu 20% (1x1), (1+1/6), (2x2) und (√3x√3)R30) Rekonstruktionen einstellen, die zwar alle Gruppe-III terminiert waren, sich aber hinsichtlich des III/V-Verhältnisses unterscheiden. Diese Rekonstruktionen werden entweder durch eine volumenartige Gruppe-III Terminierung ((1x1)- Struktur), eine quasi-flüssige Gruppe-III Doppellage ähnlich zur (1+1/6) Struktur von GaN oder Gruppe-III Ad-Atom-Strukturen ((2x2), (√3x√3)R30°) erklären. Die sehr unterschiedlichen kovalenten Radien von In und Ga führen, speziell in den beiden letzteren Fällen, zur Bildung von In-Ad-Atomen und einer In-Verarmung in der zweiten Gruppe-III-Lage, verbunden mit einer Verspannungsreduktion und damit einer Gesamtenergieminimierung. Durch zusätzlichen In- Auflass ließen sich die Oberflächen-In-Anteile dabei noch deutlich erhöhen, so dass es z.B. zur Bildung einer (1+1/6) Struktur mit einer fast reinen In-Doppellage kam. Trotz der erheblichen Fortschritte im MOVPE-Wachstum der InxGa1-xN Schichten war die Oberflächen-rms-Rauigkeit (~5 nm) für Proben mit einem In-Anteil größer als 30% jedoch immer noch so groß, dass keine gut geordneten Oberflächenrekonstruktionen einstellbar waren. Den Einfluss von Adsorbaten wie etwa von Sauerstoff und kleinen organischen Molekülen haben wir speziell für InN und GaN(0001) Oberflächen untersucht. Hier zeigen sich, aufgrund der metallischen Gruppe-III terminierten Oberflächen, deutliche Unterschiede zu den bekannten Dimer-basierten Rekonstruktionen der GaAs(001)- und InP(001)-Oberfläche. So kam es bei der Adsorption von Cyclopentene zur Bildung eines Metall-Cyclopentadienyl-Komplexes analog zudem von Cyclopenten auf den Übergangsmetallen Pt, Ni und Rh, anstelle von kovalenten Bindungen zu dangling-bonds an der Oberfläche, etwa durch eine Cycloadditionsreaktion. Die so entstandenen dünnen organischen Filme führten zu einer chemischen Passivierung der In(Ga)N Oberfläche und könnten als Cap benutzt werden. Eine andere Möglichkeit der Passivierung stellt das Wachstum einer ultra-dünnen In2O3 Oxidschicht dar. Für InN konnten wir zeigen, dass eine solche Schicht durch Angebot von Indium in einem Stickstoff/Sauerstoff-Plasma bei einer Temperatur von ca. 450°C entsteht. Diese epitaktische In2O3 Oxidschicht ist gitterangepasst zu InN und zeigt in STM und LEED Messungen eine sehr gut geordnete atomare Struktur zeigt. Diese Schicht war auch an Luft stabil und lässt sich thermisch leicht durch unter UHV-Bedingungen dekontaminieren. Die in dem Projekt gewonnenen Ergebnisse führen so zu einem besseren Verständnis der cplanaren InGaN Oberflächen und Grenzflächen und deren Analyse und liefern so auch einen wichtigen Beitrag für das Verständnis von InGaN-basierten Vielschichtsystemen, etwa im Falle technologischer Anwendungen, wie z.B. von opto-elektronischen Bauelementen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Preparation and atomic structure of reconstructed InGaN(0001) surfaces, J. Appl. Phys. 112, 033509 (2012)
C. Friedrich, A. Biermann, V. Hoffmann, M. Kneissl, N. Esser, P. Vogt
- “Growth and characterization of semipolar (11-22) InN”, Journal of Applied Physics 112, 013530 (2012)
Duc V. Dinh, D. Skuridina, S. Solopow, F. Ivaldi, S.Kret, M. Pristovsek, P. Vogt, M. Kneissl
- “Mobility-limiting mechanisms in polar semiconductor heterostructures", Acta Materialia, Volume 60, Issues 6–7, 3176–3180 (2012)
S. Pandey, D. Cavalcoli, A. Minj, B. Fraboni, A. Cavallini, D.Skuridina, P.Vogt, M.Kneissl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.02.025) - “Polarity determination of polar and semipolar (11-22) InN and GaN layers by valence band photoemission spectroscopy“, J. Appl. Phys. 114, 173503 (2013)
D. Skuridina, D. V. Dinh, B. Lacroix, P. Ruterana, M. Hoffmann, Z. Sitar, M. Pristovsek, M. Kneissl, and P. Vogt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4828487) - “Role of nitridation on polarity and growth of InN by metal-organic vapor phase epitaxy“, Journal of Crystal Growth 376, 17 (2013)
Duc V. Dinh, D. Skuridina, S. Solopow, M. Pristovsek, P. Vogt, M. Kneissl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.04.034)
