Untersuchung der Rauhigkeit von elektronischen Grenzflächen in Halbleitern

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Philipp Georg Ebert
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2002 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5383788

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war es die Ursachen und Auswirkungen der Rauigkeit von elektronischen Grenzflächen in Halbleitern quantitativ zu verstehen. Als Modellsystem wurde p-n-Übergitter in GaAs mittels Rastertunnelmikroskopie und Spektroskopie untersucht. Es konnte der Kontrast von p-n-Übergängen in Rastertunnelmikroskopiebildern quantitativ erklärt werden und dadurch die Position der elektronischen Grenzfläche sowie die korrekte Messung der Verarmungszonenbreite in Rastertunnelmikroskopbildern bestimmt werden. Dazu war es notwendig, die Tunnel- Spektroskopie auf Halbleiteroberflächen grundsätzlich über den bisherigen Stand hinaus zu verstehen, welcher sich primär aus den Arbeiten von Feenstra ergibt. Es konnte gezeigt werden, dass die Impulserhaltung und die Ladungsträgerdynamik im Halbleiter eine bisher vernachlässigte Größe darstellt, die ganz wesentlich den Tunnelstrom auf GaAs Spaltoberflächen beeinflusst. Ferner konnten wir aufklären, wie die Bandlücke auch bei schwach dotierten Halbleitern korrekt gemessen wird, was bisher aufgrund der Ladungsträgerabhängigkeit der scheinbaren Bandlücke nicht möglich war. Mit Hilfe dieses detaillierten Spektroskopie-Verständnisses war es dann möglich die Einsperrung freier Ladungsträger in durch Fluktuationen in der Dotieratomverteilung ausgelösten Dotieratom ,Dots' nachzuweisen. In einer zweiten Phase des Projekts haben wir die überraschende Akkumulation von geladenen Be-Dotieratomen an p-n Grenzflächen beobachtet. Dadurch entstehen spontan Delta-dotierte Strukturen. Diese werden stabilisiert aufgrund einer Reduzierung der gesamten Wechselwirkungsenergie durch Reduktion des Ladungsträgergases von 3 auf 2 Dimensionen. Dieser Akkumulationseffekt reduzierte signifikant die Rauigkeit der Grenzflächen. Unter Berücksichtigung aller beobachteten Effekte, haben wir die Grenzen der Schichtdicken für eine reproduzierbare Positionierbarkeit der Fermi-Energie aufgrund von Dotierung bestimmt. In der abschließenden Phase des Projekts ist es uns gelungen, eine Methode zu entwickeln, um quantitativ das lokale Potential mit atomarer Auflösung mit der räumlichen Verteilung von Dotieratomen in 2-dimensionalen Halbleitern zu bestimmen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Determination of the charge carrier compensation mechanism in Te-doped GaAs by scanning tunneling microscopy. Appl. Phys. Lett. 82, 2059-2061 (2003)
  J. Gebauer, E. R. Weber, N. D. Jäger, K. Urban, and Ph. Ebert
  
• Imaging defects and dopants. Materials Today 6, June Issue, 36-43 (2003)
  Ph. Ebert
  
• Importance of carrier dynamics and conservation of momentum in atom-selective scanning tunneling microscopy imaging and bandgap determination of GaAs(110). Phys. Rev. B 67, 165327, 1-10 (2003)
  N. D. Jäger, E. R. Weber, K. Urban, and Ph. Ebert
  
• Incorporation of dopant atoms and defects in semiconductors: A microscopic view. Physica B 340-342, 1159-1165 (2003)
  Ph. Ebert
  
• Nanoscale dopant-induced dots and potential fluctuations in GaAs. Appl. Phys. Lett. 82, 2700-2702 (2003)
  N. D. Jäger, K. Urban, E. R. Weber, and Ph. Ebert
  
• Physics of imaging p-n junctions by scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Phys. Rev. B 67, 165307, 1-8 (2003)
  N. D. Jäger, M. Marso, M. Salmeron, E. R. Weber, K. Urban, and Ph. Ebert
  
• Imaging and Characterizing Nanoscale Fluctuations in the Distribution of Dopant Atoms by Scanning Tunneling Microscopy. Defects and Diffusion in Semiconductors - Annual Retrospective 2004 in Defect and Diffusion Forum 230-232, 111-124 (2004)
  Ph. Ebert
  
• Nanoscale Fluctuations in the Distribution of Dopant Atoms: Dopant-Induced Dots and Roughness of Electronic Interfaces. J. Vac. Sci. Technol. B 22, 2018- 2025 (2004)
  Ph. Ebert, N. D. Jäger, K. Urban, and E. R. Weber
  
• Simultaneous potential and dopant mapping at p-n junctions using scanning tunneling microscopy. Institute of Physics Conference Series 180, 641-644 (2004)
  N. D. Jäger, M. Marso, K. Urban, E. R. Weber, and Ph. Ebert
  
• Direct Evidence for Shallow Acceptor Stales with Nonspherical Symmetry in GaAs. Phys. Rev. Lett. 94, 026407, 1-4 (2005)
  G. Mahieu, B. Grandidier, D. Deresmes, J. P. Nys, D. Stievenard, and Ph. Ebert
  
• Spontaneous 2D accumulation of charged Be dopants in GaAs p-n superlattices. Phys. Rev. Lett. 96, 076101, 1-4 (2006)
  S . Landrock, K. Urban, and Ph. Ebert