Sb und Bi als Surfactants auf Si(001) und in der Ge-Heteroepitaxie auf Si(111)

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Zusammenfassung Sb und Bi auf Si(001): Um die größere Beweglichkeit der Defektelektronen in Ge bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ausnutzen zu können, sind glatte Ge-Filme auf Si von großem Interesse. Hierbei spielt Sb als Adsorbat eine besondere Rolle, da es als Surfactant wirkt und auf Si(111) ermöglicht, glatte Ge-Filme zu erzeugen. Auf der technologisch relevanteren Si(001)-Fläche glatte Ge-Schichten zu erzeugen, ist mit Sb als Surfactant bislang nicht möglich. Dies ist bereits durch die Morphologie der Si(001)-Fläche nach Sb-Adsorption bedingt. Die hier vorgestellten Untersuchungen mittels STM und hochauflösender Elektronenbeugunng (SPA-LEED) zeigen, daß die Oberfläche bei Adsorption von 1 ML Sb im Temperaturbereich von 400°C bis 850°C massiv aufrauht. Eine maximale Rauhigkeit wird im Bereich von 700°C bis 800°C beobachtet. Zu höheren Temperaturen wird die Rauhigkeit langwelliger; bei Temperaturen oberhalb 800°C glättet sich die Fläche wieder. Ursächlicher Mechanismus für das Aufrauhen ist eine ‚displacive adsorption’, bei der adsorbierende Sb-Atome Si-Atome aus der Oberfläche verdrängen, wie es bereits für As beobachtet wurde. Für den Temperaturbereich bis 730°C liegen zusätzlich Stress-Messungen für die Sb-Adsorption im Monolagen-bereich vor. Auch für die Adsorption einer ML Bi auf Si(001) im Temperaturbereich von 400°C bis 650°C wird ein Auf-rauhen der Ausgangsfläche gefunden. Die Rauhigkeit ist kleiner als im Falle des Sb und zeigt ein Maximum bei Temperaturen von 500°C. Auch hier ist der Mechanismus eine displasive Adsorption der Bi-Atome. Für niedrige Temperaturen wird eine ‚missing row’-Struktur, bei höheren eine (m x n)-Überstruktur beobachtet. Eine Besonderheit stellt die Bi-Adsorption bei 650°C dar: In diesem Fall findet man das selbstorganisierte Wachstum sehr langer Bi-Nanodrähte mit einer Breite von zwei bzw. drei Dimerreihen und Längen bis über 2000 Å, die in jüngster Vergangenheit reges Interesse hervorgerufen haben. Noch höhrere Adsorptions-temperaturen sind aufgrund der dann dominierenden Bi-Desorption nicht möglich. Sb und Bi als Surfactants für Ge/Si(111): Mit Sb als Surfactant wächst Ge auf Si(111) zunächst einige Lagen pseudomorph verspannt auf. Danach bilden sich Inseln in der mikrorauhen Phase, bevor die Verspannung durch die Bildung von Versetzungen relaxiert wird und sich die Schicht wieder glättet. Anhand der STM-Daten und durch eine zunehmende Periode der LEED-Wachstumsoszillationen wird gezeigt, daß diese Glättung durch lagenweises Wachstum auf den Mikrofacetten der Inseln geschieht und nicht durch lagenweises Auffüllen der Zwischenräume. Für Ge-Schichten auf Si(111) mit Bi als Surfactant wird ein vollständig anderer Wachstumsmodus gefunden. In diesem Fall bildet sich keine mikrorauhe Phase, sondern es sind in den STM-Messungen bereits ab dem dritten BL Ge Versetzungslinien zu finden, die die Verspannung relaxieren, so daß im Vergleich zu Sb deutlich glattere Ge-Schichten bei geringeren Schichtdicken und zudem niedrigeren Temperaturen erzeugt werden können. Nach dem Wachstum bei 510°C annealte Schichten weisen eine deutliche höhere Ordnung des Versetzungsnetzwerkes auf als Schichten, die direkt bei dieser Temperatur gewachsen wurden. Die Ordnung des Versetzungsnetzwerkes ist mit Bi deutlich ausgeprägter als mit Sb. Anhand der statistischen Auswertung der bevorzugten Adsorptionsplätze von Ge-Adatomen auf der mit Sb als Surfactant gewachsenen Ge-Schicht ergibt sich aus den Besetzungszahlen eine energetische Bevorzugung von 145 meV für Bereiche, die möglichst weit von Versetzungslinien entfernt sind. Verwendet man per Surfactant-modifizierter Epitaxie gewachsene Ge-Schichten als Template für eine weitere Bi-Adsorption bei Raumtemperatur, so findet man Bi-Inseln mit bevorzugten Höhen von 2, 4 und 8 BL, die jedoch keine einheitliche Größe haben und auch nicht streng periodisch durch das Versetzungs-netzwerk induziert nukleieren. Die laterale Modulation der Gitterkonstanten der Ge-Schicht durch das Versetzungsnetzwerk ist sowohl für Bi als auch für Sb als Surfactant in den STM-Bildern sichtbar, aber nicht quantitativ auswertbar.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Physik » Experimentalphysik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Stichwörter:
Si, Ge, Sb, Bi, Surfactants, Heteroepitaxie, Versetzungsnetzwerk, STM, SPA-LEED
Beitragende:
Prof. Dr. Horn-von Hoegen, Michael [Betreuer(in), Doktorvater]
Prof. Dr. Schleberger, Marika [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
21.12.2006
Dokument erstellt am:
23.03.2007
Promotionsantrag am:
23.08.2006
Dateien geändert am:
23.03.2007
Medientyp:
Text