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Electronic structure investigations of group III-nitrides surface and interfaces
Chen, Chia-Hao
Die Halbleiter der Gruppe III-Nitride und ihre Verbindungen haben in den letzten Jahren wegen ihrer weitreichenden Anwendungen als Feldemitter für kurze Wellenlängen und optoelektronische Bauteile großes Interesse hervorgerufen. Diese Entwicklung ist vor allem der Realisierung des p-dotierten Nitridhalbleiters und des erfolgreichen Wachstums dünner Schichten hoher Qualität zu verdanken. Ungeachtet der steigenden Zahl an kommerziellen Produkten auf Nitridbasis, sind viele fundamentelle Fragen zu den Eigenschaften dieser Halbleiter noch ungeklärt. In der vorliegenden Doktorarbeit wurden die elektronischen Eigenschaften der Gruppe III-Nitridhalbleiter mittels winkelaufgelöster Photoelektronenspektrokopie (ARPES) mit Synchrotronstrahlung und der Beugung langsamer Elektronen (LEED) untersucht. Das Reinigungsverfahren von kubischem InN wurde untersucht und eine geordnete kristalline Oberfläche erzielt. Dünne Schichten von hexagonalem GaN wurden mittels Molekularepitaxie unter Verwendung von Ammoniakgas oder Stickstoffplasma als Quelle für atomaren Stickstoff auf 6H-SiC(0001) gewachsen. Ergebnisse der Messungen mit LEED umd Photoelektronenspektroskopie zeigten, daß die mit Ammoniakgas gewachsenen Schichten von besserer Qualität waren als solche bei denen molekularer Stickstoff verwendet wurde. Die besetzten Valenzbänder von kubischem InN, wurtzischem GaN und AlN wurden mit ARPES gemessen und die dispersiven Strukturen im Valenzbandbereich wurden bei Annahme eines freien Elektronenendzustandes in Volumenbandstrukturen umgerechnet. Ein Oberflächenzustand wurde für die mit Ammoniak gewachsene GaN(0001)-(1 x 1) Oberfläche beobachtet und entlang der Gamma-quer - M-quer Brillouinzone ausgemessen. Die GaN/SiC Grenzflächen wurden mit Photoelektronenspektroskopie untersucht. Die Linienbreiten der Rumpfniveaus zeigen, daß in der Grenzfläche nur Stickstoff eine chemische Verbindung mit Silizium eingeht, verursacht durch die Nitridierung der SiC(0001) Oberfläche vor dem Wachstum der GaN Schicht. Dies ist nötig, um die Oberflächenenergie zu erhöhen und die Benetzungseigenschaften von Ga auf der SiC Oberfläche zu verbessern. Der GaN/SiC Heteroübergang ist vom Versetzungstyp (Typ II) und der gemessene Valenzbandoffset ist 1.02 eV für die mit Ammoniak gewachsene und 1.10 eV für die mit Stickstoffplasma gewachsene GaN Schicht. Die Schottky-Barrieren von Ag auf GaN und AlN Oberflächen wurden mit Photoelektronenspektroskopie ermittelt. Der Oberflächen-Photovoltage-Effekt wurde beobachtet, nachdem der Halbleiter auf flüssige Stickstofftemperatur heruntergekühlt wurde. Dieser Effekt muß bei der Bestimmung der Schottkybarriere mittels Photoelektronenspektroskopie berücksichtigt werden. Die Schottkybarriere is 1.01 eV für Ag/GaN und 2.87 eV für Ag/AlN. Das Ergebnis zeigt, daß die Barrieren für nicht reaktive Metalle auf GaN und AlN Oberflächen nicht mit der Schottky-Mott Regel beschrieben werden können.
Group III-nitride semiconductors and their alloys have attracted a lot of attentions in the past decade because of their applications as short-wavelength emitters and optoelectronic devices. All of the developments were encouraged by the realization of the p-type doping of the nitride semiconductors and the successful growth of high quality thin films. In spite of the rapid growth of nitride-related commercial products, there are still many fundamental aspects of these semiconductors that need to be addressed. This thesis reports investigations of the electronic properties of group III-nitride semiconductors by means of angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) with synchrotron radiation and low energy electron diffraction (LEED). In this thesis, the cleaning procedure for cubic InN has been studied and a good crystal-line-ordered surface has been restored. The growth of hexagonal GaN thin films on 6H-SiC(0001) surface by molecular beam epitaxy with ammonia or nitrogen plasma as nitrogen atom sources has been carried out. Using ammonia gas better GaN thin films can be grown than with nitrogen plasma, judging from LEED and photoemission data. The occupied valence band of cubic InN, wurtzite GaN, and wurtzite AlN were studied by ARPES and the dispersive features in the valence region were converted to bulk valence band structures with the assumption of a free electron final state. A surface state was observed from the ammonia grown GaN(0001)-(1 x 1) surface, and the mapping of this state along Gamma-bar - M-bar line has been carried out. GaN/SiC heterointerfaces were studied by photoemission spectroscopy. The core level line shape analysis revealed that only nitrogen formed chemical bonds with silicon in the interface region, which is due to the surface nitridation process on the SiC(0001) surface prior to the GaN overlayer growth, in order to increase the surface energy and improve the wetting of Ga on the SiC surface. The GaN/SiC heterojunction is of the staggered type (type II) alignment, and the measured valence band offset is 1.02 eV and 1.10 eV for ammonia growth and plasma growth GaN thin films, respectively. Schottky barrier formation of Ag on GaN and Ag on AlN surfaces has been investigated by mean of photoemission spectroscopy. The surface photovoltage effect was observed after the semiconductors were cooled down to liquid nitrogen temperature. This effect has to be corrected in the determination of Schottky barrier height by the photoemission technique. The barrier height is 1.01 eV for Ag/GaN and 2.87 eV for Ag/AlN. The results show that the Schottky barrier heights of nonreactive metals on GaN and AlN surfaces cannot be described by the Schottky-Mott rule.
