Die elektronische Struktur der As-bedeckten GaAs(111)-Oberfläche

Diplomarbeit von Klaus Winnerlein

Problemstellung:

In den letzten Jahren wurden die polaren Oberflächen von III-V-Halbleitern in zunehmendem Maße mit Molekularstrahlepitaxie (MBE=molecular beam epitaxy) hergestellt. Die so erhaltenen, sauberen, Oberflächen müssen beim Transport durch die Atmosphäre vor Verunreinigungen und Oxidation geschützt werden. Dazu wurde von Kowalczyk et al. [1] die Technik entwickelt, die Proben vor dem Ausbau aus der MBE-Kammer mit einem dicken Film elementaren As zu passivieren. Für die weitere Anwendung oder Untersuchung der Probe kann die As-Schutzschicht dann durch Heizen der Probe entfernt werden. Während des Abheizprozesses können sich verschiedene Phasen der Oberfläche ausbilden, die sich in ihrer Struktur, ihrer chemischen Zusammensetzung und ihren elektronischen Eigenschaften unterscheiden. Will man an der Probe dann oberflächensensitive Experimente, beispielsweise Photoelektronenholographie [2], durchführen oder die technologisch bedeutsame Ausbildung von Schottky-Barrieren nach Metall-Deposition (3, 4] untersuchen, so ist aus den genannten Gründen eine genaue Kenntnis des Abheizprozesses wünschenswert. Die Untersuchung des Abheizprozesses und der dabei erhaltenen Oberflächen hat sich in der Vergangenheit in erster Linie auf die GaAs(100)-Oberfläche und ihre unterschiedlichen Rekonstruktionen beschränkt [31-(8). In dieser Arbeit wird das Abheizen einer As-Schutzschicht von einer GaAs(111)-Oberfläche untersucht. Die Charakterisierung der durch das Abheizen erhaltenen Oberflächen erfolgt dabei mittels winkelaufgelöster Photoemission. Auch wird versucht, die Möglichkeiten der winkelaufgelösten Photoemission in Verbindung mit Synchrotronstrahlung zur Bestimmung der Valenzbandstruktur zu nutzen. Im ersten Kapitel dieser Arbeit werden daher zunächst die Grundlagen der Photoemission sowie die Analyse der durch die Experimente erhaltenen Daten erläutert. Anschließend werden einige für das Verständnis der Arbeit wichtige Eigenschaften der GaAs(111)-Oberfläche behandelt. Im dritten Kapitel werden dann die experimentellen Aspekte und die Methode der durchgeführten Messungen dargestellt. Im darauffolgenden Kapitel wird versucht, die Volumen- und Oberflächenbandstruktur von GaAs(111) aus den Spektren in senkrechter und nicht-senkrechter Emission zu bestimmen. Die eigentliche Abheizstudie ist dann Gegenstand des fünften Kapitels, in dem die Charakterisierung der nach jeder Heizstufe erhaltenen Oberfläche, der Einfluß der As-Bedeckung auf die Valenzbandspektren sowie die Lage des Fermi-Niveaus nach den verschiedenen Heizstufen behandelt wird. Schließlich wird in Kapitel 6 eine spezielle Art der winkelaufgelösten Photoemission vorgestellt, mit der aus Daten in nicht-senkrechter Emission die Volumenbandstruktur entlang der [110]-Richtung bestimmt werden soll. Den Abschluß dieser Arbeit bildet eine kurze Zusammenfassung der Ergebnisse.

Inhaltsverzeichnis:

	Einleitung	1
1.	Photoemission	3
1.1	Prinzip	3
1.2	Theoretische Aspekte	6
1.2.1	Allgemeine Theorie der Photoemission	6
1.2.2	Das Drei-Stufen-Modell	9
1.3	Analyse der Daten	12
1.3.1	Direkte Übergänge	13
1.3.2	Freies-Elektronen-Modell	15
1.3.3	Darstellung der Meßwerte	20
2.	Einiges über GaAs	24
2.1	Allgemeines	24
2.2	Die (111)-Oberfläche	27
2.3	Die (2 x 2)-Rekonstruktion der (111)-Oberfläche	29
3.	Experiment und Methode	33
3.1	Aufbau	33
3.2	Der Analysator	34
3.3	Die Strahlungsquelle	36
3.4	Verwendete Proben	37
3.5	Bestimmung der As-Bedeckung	39
4.	Volumen- und Oberflächenbandstruktur von GaAs(111)	42
4.1	Spektren in senkrechter Emission	43
4.2	Oberflächenbandstruktur	51
5.	Thermisch aktivierte Desorption von a-As auf GaAs(111)	58
5.1	Bestimmung der As-Bedeckung	59
5.1.1	Charakterisierung der Oberfläche anhand der Rumpfniveauspektren	59
5.1.2	As-Bedeckungen nach verschiedenen Heizstufen	65
5.2	Valenzbänder	70
5.3	Fermi-Niveau	78
5.3.1	Allgemeines	78
5.3.2	Lage des Fermi-Niveaus nach verschiedenen Heizstufen	80
6.	Bestimmung der Volumenbandstruktur aus Daten nicht-senkrechter Emission	87
6.1	Methode	88
6.2	Experimente	90
	Zusammanfassung	95
	Literaturverzeichnis	97
	Danksagung	103
	Erklärung	104