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Main Title: Nitrogen Containing III-V Semiconductor Surfaces and Nanostructures Studied by Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy
Translated Title: Stickstoffhaltige III-V-Halbleiteroberflächen und -nanostrukturen – Untersuchung mit Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie
Author(s): Ivanova, Lena
Advisor(s): Dähne, Mario
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: III-V-Verbindungshalbleiter sind die häufig benutzten Materialien für viele Halbleitertechnologien und -anwendungen. In dieser Arbeit werden im speziellen verschiedene stickstoffhaltige III-V-Verbindungshalbleiter mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie untersucht. In so genannten verdünnten GaAsN-Schichten können einzelne Stickstoffatome identifiziert werden. Sie erscheinen als dunkle Punkte in Arsenreihen der (110)-Spaltfläche. Auf der Grundlage von Höhenprofilen in den Bildern können Stickstoffatome von anderen Kristalldefekten wie Störstellen, Leerstellen und Zwischengitteratomen unterschieden werden. Die gemessene Zustandsdichte zeigt, dass die Stickstoffatome eine Aufspaltung des Leitungsbandes von GaAs hervorrufen. Der Vergleich der gemessenen Daten mit theoretischen Rechnungen zeigt eine hervorragende Übereinstimmung. Außerdem wird gezeigt, dass InAs/GaAsN Quantenpunkte (QP), die mit GaAs bedeckt sind, viel kleinere Größen aufweisen als InAs QP, die auf GaAs gewachsen und mit GaAs bedeckt sind, während InAs/GaAs QP, die mit GaAsN bedeckt sind, keine Größenänderung zeigen. Das Beimischen von Stickstoff mit einer nominellen Konzentration von 9% in die InAs/GaAs QP führt zu einer Auflösung und Ausbildung von ausgedehnten fast späherischen stickstofffreien InGaAs QP mit einem geringen Indiumgehalt. Es wird gezeigt, dass das InAsN/GaAs QP-System einen Trend aufweist, InGaAs QP und eine GaAsN-Matrix voneinander zu separieren. Des Weiteren wird für die GaN(1-100)-Spaltfläche von epitaktisch gewachsenen GaN-Substraten nachgewiesen, dass intrinsische Oberflächenzustände der freien Bindungen sowohl von Stickstoff- als auch von Galliumatomen außerhalb der fundamentalen Volumenbandlücke liegen. Ihre Bandkanten befinden sich am Gamma-Punkt der Oberflächen-Brillouin-Zone. Das Verankern der Fermienergie +1.0 eV unterhalb der Leitungsbandkante konnte auf die hohe Stufen- und Defektdichte auf der Oberfläche zurückgeführt werden, jedoch nicht auf die intrinsischen Oberflächenzustände. Außerdem wurde festgestellt, dass Versetzungen in GaN-Wafern mit nicht parallelen Versetzungslinien und gebündelt auftreten. In den Bündeln wurden ungeladene vollständige Versetzungen mit a/3<11-20> Burgersvektoren und negativ geladene Shockley-Partial-Versetzungen mit a/3<1-100> Burgersvektoren, die einen Stapelfehler beinhalten, festgestellt. Schließlich wurde eine Modulation der Siliziumdotierung abgebildet. Diese Modulation führt zu einer Höhenmodulation in RTM-Bildern, die im Konstantstrom-Modus aufgenommen wurden. Die Entstehung der Höhenmodulation wird auf zwei Kontrastmechanismen zurückgeführt, eine elektronische Modulation der Bandkantenenergien, die eine tunnelspannungsabhängige Welligkeit hervorruft, und eine mechanische dotierungsinduzierte Verspannungsrelaxation der Oberfläche, die eine tunnelspannungsunabhängige Kontrastmodulation hervorruft.
III-V compound semiconductors are common materials for many semiconductor technologies and applications. In this work, in particular different nitrogen containing III-V semiconductor surfaces and nanostructures are studied, using scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy. In so-called diluted GaAsN layers single nitrogen atoms can be identified at the cross-sectional STM images as dark depressions within the arsenic rows of the (110) cleavage surface. On the base of height profiles from the images nitrogen-related features can be distinguished from other crystal defects such as impurities, vacancies, or interstitials. The measured density of states shows that nitrogen impurities lead to a splitting of the GaAs conduction band. The measured data are compared with theoretical calculation, showing an excellent agreement. Furthermore, it is shown that InAs/GaAsN quantum dots (QD)s capped with GaAs demonstrate much smaller sizes, as compared with InAs QDs grown on and capped with pure GaAs, while InAs/GaAs QDs capped with GaAsN do not exhibit any size changes. The incorporation of nitrogen with a nominal concentration of 9% into InAs/GaAs QDs leads to a rather strong dissolution and the formation of extended almost spherical nitrogen-free InGaAs QDs with a low indium content. It is shown that the InAsN/GaAs QD system demonstrates a trend to separate into InGaAs QDs and a GaAsN matrix. Furthermore, for the GaN(1-100) cleavage surface of epitaxially grown GaN substrates it is found that both the nitrogen and gallium derived intrinsic dangling bond surface states are outside of the fundamental bulk band gap. Their band edges are both located at the gamma point of the surface Brillouin zone. The observed Fermi level pinning at 1.0 eV below the conduction band edge could be attributed to the high step and defect density at the surface, but not to intrinsic surface states. Moreover, in GaN wafers dislocations are found to form localized bunches of entangled nonparallel dislocation lines. Within these bunches uncharged perfect dislocations with a/3<11-20> Burgers vectors and negatively charged Shockley partial dislocations with a/3<1-100> Burgers vectors interconnected by a negatively charged stacking fault are found. Finally, an epitaxially grown silicon doping modulation structure is imaged. This modulation gives rise to a height modulation in constant-current STM images. The origin of the height modulation is traced to two contrast mechanisms, an electronic modulation of the band edge energies yielding a voltage dependent corrugation supported by a mechanical relaxation at the surface of the doping-induced strain yielding a voltage independent contrast modulation.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-23473
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2539
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2242
Exam Date: 1-Sep-2009
Issue Date: 17-Sep-2009
Date Available: 17-Sep-2009
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): GaN-Substrate
InAsN-Quantenpunkte
Rastertunnelmikroskopie
Rastertunnelspektroskopie
Stickstoffhaltige III-V-Halbleiter
GaN substrates
InAsN quantum dots
Nitrogen containing III-V semiconductors
Scanning Tunneling Microscopy
Scanning Tunneling Spectroscopy
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