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Quasi-van der Waals-Epitaxie von II-VI Halbleitern auf Schichtgitterchalkogeniden und GaSe-terminierten Si(111)-Oberflächen

Wisotzki, Elmar (2003):
Quasi-van der Waals-Epitaxie von II-VI Halbleitern auf Schichtgitterchalkogeniden und GaSe-terminierten Si(111)-Oberflächen.
Darmstadt, Technische Universität, TU Darmstadt, [Online-Edition: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3304],
[Ph.D. Thesis]

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Deposition der dreidimensional (3D) kristallisierenden II-VI Halbleiter ZnSe und CdTe auf den van der Waals-Oberflächen der zweidimensional (2D) aufgebauten III-VI-Schichtgitterchalkogenide GaSe und InSe sowie des ebenfalls schichtgitterartig kristallisierenden HOPG ("higly oriented pyrolytic graphite"). Die systematische Untersuchung dieser so genannten "Quasi-van der Waals"-Epitaxiesysteme (QvdW-Epitaxie: 3D/2D) durch Variation der zugänglichen Depositionsparameter (Substrattemperatur, Depositionsrate) stellt eine Weiterführung des ursprünglichen Ansatzes der van der Waals-Epitaxie (vdW-Epitaxie: 2D/2D) von zweidimensional aufgebauten Stoffen auf schichtgitterartigen Substraten dar. Dabei erfolgt die Auswahl der untersuchten QvdW-Systeme vor dem Hintergrund, grundlegende Aussagen über die Besonderheiten QvdW-epitaktischer Systeme zu gewinnen. Neben der Epitaxie der genannten II-VI Halbeiter auf den angegebenen Schichtgittersubstraten wurde zusätzlich versucht, gezielt durch Modifikation der van der Waals-Oberflächen Einfluss zu nehmen auf das Nukleations- bzw. Wachstumsverhalten der Deponate. Die Ergebnisse für die QvdW-Systeme II-VI/III-VI zeigen, daß es trotz Variation der Depositionsparameter und Modifikation der Substratoberflächen nicht gelingt, lagenartiges Wachstum (Frank-van der Merwe-Modus) der abgeschiedenen II-VI Halbleiter zu erzielen. Für alle untersuchten Systeme zeigt sich unter optimierten Wachstumsbedingungen die Ausbildung dreidimensionaler epitaktischer Inseln auf den van der Waals-Oberflächen. Die II-VI-Inseln wachsen (111)-orientiert auf und zeigen ebenfalls eine azimuthale Epitaxierelation zum III-VI-Substrat. Nachgewiesen wurde zudem die Möglichkeit, die van der Waals-Oberflächen in Se-Atmosphäre unter den üblichen Depositionsbedingungen reaktiv zu verändern, so dass für die Systeme ZnSe/III-VI eine Reaktions-Zwischenschicht an der Grenzfläche angenommen wird. Im Rahmen der elektronischen Bandanpassung zeigen die untersuchten Systeme einen systematischen Unterschied zu den ähnlichen QvdW-Systemen II-VI/TMDC. Mit der Ausweitung der Untersuchungen auf die Verwendung einer van der Waals-artigen GaSe-Halblagen-Pufferschicht im QvdW-System ZnSe/GaSe/Si(111) (3D/2D/3D) folgt die Arbeit dem technisch anwendungsrelevanten Ansatz der Heteroepitaxie gitterfehlangepasster Halbleiterstrukturen. Die Ergebnisse hierzu ergeben wie im System II-VI/III-VI die nicht überwindbare Eigenschaft der II-VI Halbleiter auf der van der Waals-Fläche der GaSe-Halblage in Form dreidimensionaler, epitaktischer Inseln aufzuwachsen. Allerdings zeigt sich dabei ein im Vergleich zum System ZnSe/GaSe unterschiedliches Nukleationsverhalten. Mittels Röntgen-Photoelektronen-Beugung (XPD) konnte die Epitaxierelation im Quasi-van der Waals-System ZnSe/GaSe-HL:Si(111) weiter aufgeklärt werden. Hierbei zeigt sich das (111)-orientierte Wachstum von ZnSe auf der GaSe-HL(111)-Fläche mit einer azimuthalen Ausrichtung von ZnSe[11-2] entlang GaSe-HL:Si[11-2].

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2003
Creators: Wisotzki, Elmar
Title: Quasi-van der Waals-Epitaxie von II-VI Halbleitern auf Schichtgitterchalkogeniden und GaSe-terminierten Si(111)-Oberflächen
Language: German
Abstract:

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Deposition der dreidimensional (3D) kristallisierenden II-VI Halbleiter ZnSe und CdTe auf den van der Waals-Oberflächen der zweidimensional (2D) aufgebauten III-VI-Schichtgitterchalkogenide GaSe und InSe sowie des ebenfalls schichtgitterartig kristallisierenden HOPG ("higly oriented pyrolytic graphite"). Die systematische Untersuchung dieser so genannten "Quasi-van der Waals"-Epitaxiesysteme (QvdW-Epitaxie: 3D/2D) durch Variation der zugänglichen Depositionsparameter (Substrattemperatur, Depositionsrate) stellt eine Weiterführung des ursprünglichen Ansatzes der van der Waals-Epitaxie (vdW-Epitaxie: 2D/2D) von zweidimensional aufgebauten Stoffen auf schichtgitterartigen Substraten dar. Dabei erfolgt die Auswahl der untersuchten QvdW-Systeme vor dem Hintergrund, grundlegende Aussagen über die Besonderheiten QvdW-epitaktischer Systeme zu gewinnen. Neben der Epitaxie der genannten II-VI Halbeiter auf den angegebenen Schichtgittersubstraten wurde zusätzlich versucht, gezielt durch Modifikation der van der Waals-Oberflächen Einfluss zu nehmen auf das Nukleations- bzw. Wachstumsverhalten der Deponate. Die Ergebnisse für die QvdW-Systeme II-VI/III-VI zeigen, daß es trotz Variation der Depositionsparameter und Modifikation der Substratoberflächen nicht gelingt, lagenartiges Wachstum (Frank-van der Merwe-Modus) der abgeschiedenen II-VI Halbleiter zu erzielen. Für alle untersuchten Systeme zeigt sich unter optimierten Wachstumsbedingungen die Ausbildung dreidimensionaler epitaktischer Inseln auf den van der Waals-Oberflächen. Die II-VI-Inseln wachsen (111)-orientiert auf und zeigen ebenfalls eine azimuthale Epitaxierelation zum III-VI-Substrat. Nachgewiesen wurde zudem die Möglichkeit, die van der Waals-Oberflächen in Se-Atmosphäre unter den üblichen Depositionsbedingungen reaktiv zu verändern, so dass für die Systeme ZnSe/III-VI eine Reaktions-Zwischenschicht an der Grenzfläche angenommen wird. Im Rahmen der elektronischen Bandanpassung zeigen die untersuchten Systeme einen systematischen Unterschied zu den ähnlichen QvdW-Systemen II-VI/TMDC. Mit der Ausweitung der Untersuchungen auf die Verwendung einer van der Waals-artigen GaSe-Halblagen-Pufferschicht im QvdW-System ZnSe/GaSe/Si(111) (3D/2D/3D) folgt die Arbeit dem technisch anwendungsrelevanten Ansatz der Heteroepitaxie gitterfehlangepasster Halbleiterstrukturen. Die Ergebnisse hierzu ergeben wie im System II-VI/III-VI die nicht überwindbare Eigenschaft der II-VI Halbleiter auf der van der Waals-Fläche der GaSe-Halblage in Form dreidimensionaler, epitaktischer Inseln aufzuwachsen. Allerdings zeigt sich dabei ein im Vergleich zum System ZnSe/GaSe unterschiedliches Nukleationsverhalten. Mittels Röntgen-Photoelektronen-Beugung (XPD) konnte die Epitaxierelation im Quasi-van der Waals-System ZnSe/GaSe-HL:Si(111) weiter aufgeklärt werden. Hierbei zeigt sich das (111)-orientierte Wachstum von ZnSe auf der GaSe-HL(111)-Fläche mit einer azimuthalen Ausrichtung von ZnSe[11-2] entlang GaSe-HL:Si[11-2].

Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Technische Universität
Uncontrolled Keywords: GaSe, epitaxy, quasi-van der Waals, layered chalcogenides
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Official URL: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3304
License: only the rights of use according to UrhG
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram and Hahn, Prof. Dr. Horst
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 31 January 2003
Alternative Abstract:
Alternative abstract Language
The aim of the thesis is the deposition of the three-dimensional (3d) crystallizing II-VI semiconductors ZnSe and CdTe on the van der Waals-surfaces of the two-dimensional (2d) structured III-VI layered chalcogenides GaSe and InSe as well as on layered substrates of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG). The systematic research on these so called Quasi-van der Waals-epitaxy systems (QvdW-systems) through variation of the accessible deposition parameters (substrate temperature, deposition rate) is considered as an expansion of the basic idea of van der Waals-epitactical systems of depositing layered compounds on layered substrates. The studied epitaxy-systems were chosen on the background of obtaining basic information on the peculiarity of Quasi-van der Waals-epitactical systems. Besides the common epitaxy of the II-VI compounds on layered chalkogenide substrates mentioned above it was further attempted to influence the nucleation and growth behaviour of the deposits by chemical and physical modification of the van der Waals-surfaces of the layered substrates. The results for the QvdW-systems II-VI/III-VI show, that despite systematical variation of the mentioned deposition parameters a favoured layered growth mode of the deposited II-VI materials cannot be achieved. Moreover, for all investigated systems the deposits crystallize by forming three-dimensional epitactical islands on the van der Waals-surfaces even under optimized growing conditions. The II-VI islands grow (111)-oriented with additional azimuthal epitaxial relation parallel to the III-VI substrate surface. It was further proven that it is possible to reactively modify the van der Waals-surfaces of the substrates by selenium heating under standard growth conditions. Thus, the formation of a reactively formed compound at the inner surface between the deposited II-VI materials and the III-VI substrate has to be expected for II-VI/III-VI Quasi-van der Waals-systems. The experimentally determined electronic band lineups of the investigated systems show a systematic deviation to the related II-VI/TMDC Quasi-van der Waals-systems. By extending the research on the use of GaSe as a viable buffer layer for the deposition of ZnSe on Si(111)-substrates the thesis follows the technically relevant direction of investigating new ideas for lattice-mismatched heteroepitactical systems. The results indicate in unison with the epitaxy of II-VI compounds on layered substrates the unsurpassable tendency of the deposited materials to grow in an island-like growth mode. Further results regarding the epitactical relationship were obtained via x-ray photoelectron diffraction experiments (XPD). The results show the (111)-oriented growth of ZnSe on the GaSe-bilayer terminated Si(111)-surface with additional azimuthal orientation with ZnSe[11-2] parallel GaSe:Si[11-2].English
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