Ausbildung heterovalenter Grenzflächen: Eine kombinierte Photoemissions- und ab initio DFT-Studie von GaP/Si Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Hannappel
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 391502515

Die Integration von III-V-Halbleitern auf Silizium verspricht eine nächste Generation neuer mikroelektronischer Leistungsbauelemente, hocheffizienter Mehrfach-Solarzellen und photolytischer Tandem-Absorber für die regenerative Erzeugung von Wasserstoff. GaP/Si(001) ist dabei der ideale Kandidat für ein pseudomorphes Quasi-Substrat als generisches Element für die gesamte Optoelektronik. Damit sollen zunächst die mit der Heteroepitaxie von polaren auf nicht-polaren Halbleitern verbundenen Herausforderungen überwunden werden, um anschließend zur weiteren III-V Integration Schichten mit niedriger Defektdichte wachsen zu können. Die Herstellung definierter GaP/Si(001) Grenzflächen ist dabei der kritische technologische Schritt bei der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), weil jene entscheidend für die Qualität der nachfolgend gewachsenen epitaktischen Filme und die Performance des Bauelements ist. Vorarbeiten haben gezeigt, dass der Einfluss von Arsen eine entscheidende Rolle für eine vorteilhafte Grenzflächenformation spielt. Die Ausbildung der Grenzfläche jedoch ist auf atomarer Skala nicht gut verstanden und die elektronische Struktur der vergrabenen Heteroübergänge noch nicht aufgeklärt. Aktuell konnten große Fortschritte bei der Defektvermeidung an vergrabenen GaP/Si(001) Heterogrenzflächen erzielt werden, wodurch vergleichende experimentelle und theoretische Studien der elektronischen Struktur möglich werden. In diesem bilateralen Projekt werden wir unsere komplementäre Expertise in industriell skalierbarer, state-of-the-art Epitaxie mittels MOCVD, in komplexer Grenzflächenanalytik und in ab initio Theorie bündeln, um so alle wesentlichen Elemente für umfassende Grenzflächenuntersuchungen bereitzustellen. Dabei streben wir an, eine historisch offene Frage der Heteroepitaxie von polaren auf nicht-polaren Halbleitern zu beantworten: Wie können sich Grenzflächen möglichst abrupt ausbilden und gleichzeitig Grenzflächenladungen kompensieren, um wohldefinierte, wünschenswerte elektronische Eigenschaften an der Grenzfläche zu erhalten? Wir wenden eine originäre Methodik an, die Präparation, optische in situ Spektroskopie, Labor- sowie Synchrotron-basierte Photoelektronen-Spektroskopie-Techniken, Tiefenanalyse und ab initio Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen kombiniert, um ein schlüssiges atomares Verständnis der strukturellen und elektronischen Eigenschaften von GaP/Si(001) und GaP/Si(001):As Heterogrenzflächen zu etablieren. Die Struktur der Grenzfläche wird sowohl mit Hilfe von Bottom-up, Top-down und in-situ Ansätzen untersucht werden. Wir werden gezielte Modifikationen der atomaren Struktur einführen, um aufzuklären, wie die elektronischen Eigenschaften des Heteroübergangs angepasst und wie dies in situ gesteuert werden kann. Das Projektziel ist es, ein grundlegendes Verständnis der III-V/IV Grenzflächenbildung auf atomarer Skala für die direkte Umsetzung und Anwendung bei der Hochleistungs-Bauelemententwicklung zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Tschechische Republik
• Partnerorganisation: Czech Science Foundation
• Kooperationspartner: Oleksandr Romanyuk, Ph.D.