Scanning tunneling microscopy and -spectroscopy of GaP layers on Si(001)

• Applicant: Dr. Andrea Lenz
• Subject Area: Experimental Condensed Matter Physics
• Term: from 2014 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 252528669

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes wurden Antiphasendomänen in GaP-Schichten auf Si(001)-Substrat mittels Querschnitts-Rastertunnelmikroskopie (XSTM) und -spektroskopie (XSTS) untersucht. Der Fokus der Arbeit lag auf der Charakterisierung der GaP/Si-Grenzfläche sowie auf der atomaren Struktur der Antiphasengrenzen. Bei der GaP/Si-Grenzflächenuntersuchung gelang es erstmalig eine atomar flache (110)-Spaltfläche zu präparieren und mittels XSTM zu untersuchen. Dabei wurde der Verlauf der GaP/Si- Grenzfläche eines nominell um 2° verkippten Si(001)-Substrates mit dem Grenzflächenverlauf eines nominell unverkippten Substrates verglichen. Im ersten Fall stellt sich der Verlauf der GaP/Si-Grenzfläche auf lateralen Bereichen von bis zu 4 nm als sehr abrupt in [001]-Richtung dar. Bei den nominell unverkippten Substraten hingegen liegen deutlichen Anzeichen für eine Durchmischung von Si und GaP auf ca. 2 nm in [001]-Richtung vor. Im Bereich der atomaren und elektronischen Struktur von Antiphasengrenzen konnte mittels XSTS gezeigt werden, dass der elektronische Einfluss der Antiphasengrenzen sehr stark abstandsabhängig ist und von der Art der Antiphasengrenzfläche bzw. Anzahl an Fehlbindungen abhängt. Für die strukturelle Untersuchung der Antiphasendomänen wurde zuerst ein Verfahren zur Bestimmung von Antiphasengrenzen in XSTM-Aufnahmen entwickelt. Anschließend konnte der polygonale Verlauf der Antiphasengrenzen, die eine Antiphasendomäne umschließen, im Detail untersucht werden. Mit Hilfe der beobachteten Winkel, unter denen die Antiphasengrenzen abgebildet werden, konnten Rückschlüsse auf die zugehörige Orientierung der Antiphasengrenzflächen im Kristallvolumen gezogen werden. Neben der Entwicklung eines Strukturmodells für einen exemplarischen Antiphasendomänenquerschnitt konnte darüber hinaus auch ein maßstabsgetreues 3D-Modell einer typischen Antiphasendomäne erstellt werden.

Publications

• Scanning tunneling microscopy and -spectroscopy of III-V layers on GaP/Si(001) substrates, 5th International Workshop on Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructures, Hsinchu (Taiwan), 2015
  A. Lenz
  
• Atomic structure and stoichiometry of In(Ga)As/GaAs quantum dots grown on an exact-oriented GaP/Si(001) substrate, Appl. Phys. Lett. 108, 143101 (2016)
  C. S. Schulze, X. Huang, C. Prohl, V. Füllert, S. Rybank, S. J. Maddox, S. D. March, S. R. Bank, M. L. Lee, and A. Lenz
  (See online at https://doi.org/10.1063/1.4945598)
• Cross-sectional scanning tunneling microscopy of antiphase boundaries in epitaxially grown GaP layers on Si(001), J. Vac. Sci. Technol. A 34, 031102 (2016)
  C. Prohl, H. Döscher, P. Kleinschmidt, T. Hannappel, and A. Lenz
  (See online at https://doi.org/10.1116/1.4945992)
• Characterization of the GaP/Si interface and of antiphase domains in GaP for integration of III-V on Si, 6th International Workshop on Epitaxial Growth and Fundamental Properties of Semiconductor Nanostructures, Como (Italy), 2017
  A. Lenz
  
• Cross-sectional scanning tunneling microscopy and -spectroscopy of antiphase boundaries in GaP layers grown on Si(001), Energy, Materials and Nanotechnology Meeting on Surface and Interface, Jeju (Korea), 2017
  A. Lenz
  
• Structural and electronical properties of antiphase domains in GaP layers grown on Si(001) for integration in optoelectronics, SPIE Photonics West, San Francisco (USA), 2017
  M. Marquardt, A. Beyer, K. Volz, and A. Lenz
  
• GaP layers grown on Si(001): How cross-sectional scanning tunneling microscopy allows for accessing the atomic structures, 19th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy and 19th US Biennial Workshop on Organometallic Vapor Phase Epitaxy, Keystone (USA), 2019
  A. Lenz
  
• Interface of GaP/Si(001) and antiphase boundary facet-type determination J. Appl. Phys. 125, 045304 (2019)
  A. Lenz, O. Supplie , E. Lenz, P. Kleinschmidt, and T. Hannappel
  (See online at https://doi.org/10.1063/1.5080547)
• Three-dimensional structure of antiphase domains in GaP on Si(001), J. Phys.: Condens. Matter 31, 144001 (2019)
  P. Farin , M. Marquardt, W. Martyanov, J. Belz, A. Beyer, K. Volz, and A. Lenz
  (See online at https://doi.org/10.1088/1361-648X/aafcfb)