On the evolution of InAs thin films grown by molecular beam epitaxy on the GaAs(001) surface [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Jan Grabowski

De
On the evolution of InAs thin filmsgrown by molecular beam epitaxyon the GaAs(001) surfacevorgelegt vonDiplom-PhysikerJanGrabowskiaus GüstrowVon der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaftender Technischen Universität Berlinzur Erlangung des akademischen GradesDoktor der Naturwissenschaften— Dr. rer. nat. —genehmigte DissertationPromotionsausschuss:Vorsitzender: Prof. Dr. rer. nat. Michael LehmannBerichter: Prof. Dr. rer. nat. Mario Dähne Dr. rer. nat. Lutz GeelhaarTag der wissenschaftlichen Aussprache: 14. Dezember 2010Berlin 2010D 83Der Beginn aller Wissenschaften ist das Erstaunen, dass die Dinge sind, wie sie sind.AristotelesZusammenfassungHalbleiternanostrukturen sind zurzeit von großem Interesse für weitreichende Anwen-dungen in der Elektronik und Optoelektronik. Viele dieser Bauteile, insbesondere für dieoptische Datenübertragung im Bereich großer Wellenlängen, die von grundlegender Bedeu-tungindermodernenKommunikationstechnikist,basierenaufInAs/GaAs-Quantenpunkt-strukturen (QD). Auch wenn die Eigenschaften der InAs/GaAs-QDs bereits intensiv unter-sucht wurden, so ist doch immer noch nur sehr wenig über die Benetzungsschicht (WL)bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Verlauf der Entstehung dieses InAs-WL imDetail untersucht.
Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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On the evolution of InAs thin films
grown by molecular beam epitaxy
on the GaAs(001) surface
vorgelegt von
Diplom-Physiker
JanGrabowski
aus Güstrow
Von der Fakultät II – Mathematik und Naturwissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
— Dr. rer. nat. —
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. rer. nat. Michael Lehmann
Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Mario Dähne Dr. rer. nat. Lutz Geelhaar
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 14. Dezember 2010
Berlin 2010
D 83Der Beginn aller Wissenschaften ist das Erstaunen, dass die Dinge sind, wie sie sind.
AristotelesZusammenfassung
Halbleiternanostrukturen sind zurzeit von großem Interesse für weitreichende Anwen-
dungen in der Elektronik und Optoelektronik. Viele dieser Bauteile, insbesondere für die
optische Datenübertragung im Bereich großer Wellenlängen, die von grundlegender Bedeu-
tungindermodernenKommunikationstechnikist,basierenaufInAs/GaAs-Quantenpunkt-
strukturen (QD). Auch wenn die Eigenschaften der InAs/GaAs-QDs bereits intensiv unter-
sucht wurden, so ist doch immer noch nur sehr wenig über die Benetzungsschicht (WL)
bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Verlauf der Entstehung dieses InAs-WL im
Detail untersucht.
Dazu wurden mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) dünne InAs-Schichten im Bereich
einer Monolage (ML) auf die GaAs(001) Oberfläche aufgedampft und anschließend mit
reflektiver hochenergetischer Elektronenbeugung (RHEED) und insbesondere mit der Ras-
tertunnelmikroskopie (STM) untersucht. Die dünnen InAs Schichten wurden in den beiden
typischen Wachstumsbereichen gewachsen, auf der GaAs-c(4×4) und der GaAs-β2(2×4)
rekonstruiertenOberfläche,mitvariablerSchichtdickevonSubmonolagenmit0,09MLInAs
bis zu 1,65ML InAs, bei der die kritische S für das QD-Wachstum überschritten
wird. Dabei wurden drei grundsätzliche Wachstumsphasen entdeckt.
Bei niedrigen InAs-Bedeckungen adsorbiert das Indium bevorzugt an energetisch güns-
tigen Positionen auf der Oberfläche in Ansammlungen von durchschnittlich acht Indium-
atomen. IndenSTM-AufnahmenerscheinendieseAnsammlungenalsdeutlichehelleSigna-
turen. Es werden ein Strukturentwicklungsmodell vorgestellt und die elektronischen Eigen-
schaften sowie die Gitterverspannung diskutiert.
BeieinerInAs-Bedeckungvon0,67MLtransformiertdieursprünglicheOberflächeineine
(4×3) rekonstruierte In Ga As-ML und deren detaillierte Struktur und Verspannungs-2/3 1/3
eigenschaften werden aufgezeigt.
Weiter aufgedampftes InAs bildet dann eine zweite Lage auf der InGaAs-ML, gekenn-
zeichnetdurcheinetypischezick-zackAnordnungvon(2×4)rekonstruiertenEinheitszellen,
die eine abwechselnde α2/α2-m Konfiguration besitzen. Im Gegensatz zu den vorherigen
Oberflächenrekonstruktionen, bei denen die strukturelle Gitterverspannung effizient abge-
bautwerdenkann,stautsichindieserzweiten(2×4)rekonstruiertenSchichtmitdemweite-
ren Einbau von Indiumatomen eine kompressive Gitterverspannung an. Wenn diese zweite
Schicht vervollständigt ist, beinhaltet der resultierende doppelschichtige WL eine Gesamt-
menge von 1,42ML InAs.
An diesem Punkt führt die angestaute Gitterverspannung zum Stranski-Krastanow (SK)
Wachstumsübergang vom zweidimensionalen zum dreidimensionalen Wachstum, und wei-
teres aufgewachsenes InAs sammelt sich in typischen dreidimensionalen Inseln, den QDs.
Darüber hinaus führt die Gitterverspannung im WL zur Verlagerung von Material aus dem
WL in die QDs. Dieser Reifungsprozess, letztendlich auch auf Kosten von Teilen des WL,
kann eingeschränkt werden, wenn das Substrat direkt nach dem Wachstum sehr schnell
abgekühlt wird (quenching).Abstract
Semiconductor nanostructures are currently of high interest for a wide variety of elec-
tronic and optoelectronic applications. A large number of devices, in particular for the
optical data transmission in the long-wavelength range, essential in modern communica-
tion, are based on InAs/GaAs quantum dot (QD) structures. Though the properties of the
InAs/GaAs QDs have been extensively studied, only little is known about the formation
and structure of the wetting layer (WL) yet. In the present work, the pathway of the InAs
WL evolution is studied in detail.
Forthispurpose,InAsthinfilmsintherangeofonemonolayer(ML)aredepositedonthe
GaAs(001)surfacebymolecularbeamepitaxy(MBE)andstudiedbyreflectionhighenergy
electron diffraction (RHEED) and in particular by scanning tunneling microscopy (STM).
The InAs thin films are grown in both typical growth regimes, on the GaAs-c(4×4) and the
GaAs-β2(2×4)reconstructedsurface,inavarietyofthicknessesstartingfromsubmonolayers
with 0.09ML of InAs up to 1.65ML of InAs exceeding the critical thickness for QD growth.
In principle, three growth stages are found.
At low InAs coverages, the indium adsorbs in agglomerations of typically eight In atoms
at energetically preferable surface sites. In the STM images, the signatures of these In
agglomerations appear with a clear bright contrast. A structural model for the initial for-
mation of these signatures is presented, and its electronic and strain related properties are
discussed.
At an InAs coverage of about 0.67ML the initial surface transforms into a (4×3) recon-
structedIn Ga AsMLandthedetailedstructureandstrainpropertiesofthissurfaceare2/3 1/3
unraveled.
On top of the InGaAs ML further deposited InAs forms a second layer, characterized by
a typical zig-zag alignment of (2×4) reconstructed unit cells, with an alternating α2/α2-m
configuration. In contrast to the previous surface reconstructions, where structural strain
is sufficiently reduced, this second (2×4) reconstructed InAs layer accumulates unfavorable
amounts of compressive strain from the InAs incorporation. With a fully evolved second
layer the complete two-layer WL contains a total amount of 1.42ML of InAs.
At this point, the accumulated amount of strain induces the Stranski-Krastanow (SK)
growthtransitionfromtwo-dimensionaltothree-dimensionalgrowth,andfurtherdeposited
InAs accumulates in typical three-dimensional islands, the QDs. Moreover, the unfavorable
strain in the WL leads to a relocation of InAs material from the WL into the QDs. This QD
ripening, eventually at the account of parts of the WL, can be reduced by rapid quenching
of the substrate immediately after growth.Listofpublications
Partsofthisworkhavebeenpublishedin:
• Evolution of the InAs wetting layer on GaAs(001)-c(4×4) on the atomic scale,
J. Grabowski, C. Prohl, B. Höpfner, M. Dähne, and H. Eisele, Appl. Phys. Lett. 95,
233118 (2009)
• Atomic structure of the (4×3) reconstructed InGaAs monolayer on GaAs(001),
H. Eisele, B. Höpfner, C. Prohl, J. Grabowski, and M. Dähne, Surf. Sci. 604, 283 (2010)
• Atomic structure and strain of the InAs wetting layer growing on GaAs(001)-c(4×4),
C. Prohl, B. Höpfner, J. Grabowski, M. Dähne, and H. Eisele, J. Vac. Sci. Technol. B28,
C5E13 (2010)
Furtherpublications:
• Low Budget UHV STM Built by Physics Students for Use in a Laboratory Exercises Course,
R. Timm, H. Eisele, A. Lenz, S. K. Becker, J. Grabowski, T.-Y. Kim, L. Müller-Kirsch, K.
Pötschke, U. W. Pohl, D. Bimberg, and M. Dähne, AIP Conf. Proc. 696, 216 (2003)
• Structure and intermixing of GaSb/GaAs quantum dots,
R. Timm, H. Eisele, A. Lenz, S.K. Becker, J. Grabowski, T.-Y. Kim, L. Müller-Kirsch, K.
Pötschke, U.W. Pohl, D. Bimberg, and M. Dähne, Appl. Phys. Lett. 85, 5890 (2004)
• Formation and atomic structure of GaSb nanostructures in GaAs studied by cross-sectional
scanning tunnelling microscopy,
R. Timm, J. Grabowski, H. Eisele, A. Lenz, S.K. Becker, L. Müller-Kirsch, K. Pötschke,
U.W. Pohl, D. Bimberg, and M. Dähne, Physica E26, 231 (2005)
• A cross-sectional scanning tunneling microscopy study of GaSb/GaAs nanostructures,
R. Timm, A. Lenz, J. Grabowski, H. Eisele, and M. Dähne, Springer Proceedings in
Physics107, 479 (2005)
• Formation and Atomic Structure of GaSb Quantum Dots in GaAs Studied by Cross-Sectional
Scanning Tunneling Microscopy,
R.Timm,A.Lenz,J.Grabowski,H.Eisele,K.Pötschke,U.W.Pohl,D.Bimberg,andM.
Dähne, in: Proceedings of EW-MOVPE XI, ed. by E. Kapon and A. Rudra (Lausanne
2005), p. 39Acknowledgments
In the very beginning, I would like to express my gratitude to the many people, who
contributed to these studies and to the completion of this work.
Firstofall,mysincerethanksbelongtoProf.Dr.MarioDähne,whogavemethisgreatop-
portunity to explore challenging fields of science, to study and research freely in his group,
and to complete my work in writing this thesis.
I would like to further thank Dr. Lutz Geelhaar for his interest in my work and his willing-
ness to referee this thesis, and Prof. Dr. Michael Lehmann for his willingness to chair the
final discussion.
SincerethanksgotoProf.Dr.KarlJacobi,whokindlyprovidedtheexperimentalsetupfor
thisstudy,andcertainlytoDr.YevgeniyTemko,whointroducedmetothemysteriesofMBE
and this setup in particular, and who teached me essential know-how of conducting growth
experiments using this setup. Spasibo bol~xoe.
Special thanks belong to Peter Geng, who gave me a helping hand dealing with many tech-
nical issues especially during the early days of my studies.
Furthermore, my sincere thanks go to Kathrin Schatke for her supportive assistance in deal-
ingwithallthedifferentkindsofharmfulandhazardoussubstancesandformanypiecesof
advice.
Iamverythankfultomyformerstudentsandco-workersSylviaHagedorn,BrittaHöpfner,
and Christopher Prohl for their great contributions to this work. Thank you for your assis-
tance during experiments and also repair, for fruitful discussions and a nice working envi-
ronment, and for your effort in establishing our small MBE-STM-Team here.
I would also like to acknowledge Dr. Holger Eisele for his scientific contributions.
Many thanks belong to the former and present members of the Dähne working group,
who created a nice and friendly atmosphere and whom I enjoyed sharing time with.
My special thanks go to Dr. Rainer Timm and Dr. Andrea Lenz, who introduced me to the
STM technique, provided continuous support during my first STM steps and shared their
knowledge with me.
I would like to thank Martin Franz, Dr. Kai Hodeck, Angela Berner and Gerd Pruskil for
many nice discussions and a great time.
I would like to express my special thanks to Prof. Dr. Hans-Eckhardt Gumlich for his moti-
vation and kindness and exceptionally for initiating great discussions about the ethics and
philosophy of science.
My deepest thanks belong to Dr. Lena Ivanova and Dr. Martina Wanke for so many great
years of working together. Thank you for your support and for becoming such great friends.
Schlußendlich möchte ich mich auch bei meinen Freunden und meiner Familie bedanken.
Ich danke Anja Brostowski und Tai-Yang Kim, die mich durchs Studium begleitet haben,
und dabei halfen, so manche Durststrecke zu überstehen.
Ich danke allen meinen Freunden, die schon viel Rücksicht auf mich und meine Arbeit
nehmen mußten und trotzdem immer noch geduldig mit mir sind und hinter mir stehen.
Ein ganz besonderer Dank aber gilt meiner Familie für das Interesse an meiner Arbeit und
die Unterstützung über die vielen Jahre meines Studiums und meiner wissenschaftlichen
Arbeit. Vielen lieben Dank!

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