Benchmarking surface signals when growing GaP on Si in CVD ambients [Elektronische Ressource] / von Henning Döscher

Henning Döscher

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• Physik

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• Publié par: humboldt-universitat_zu_berlin
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 29
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Benchmarking surface signals when
growing GaP on Si in CVD ambients
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat.)
im Fach Physik
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I
der Humboldt-Universität zu Berlin
von
Dipl.-Phys. Dipl.-Wirt.-Inf. Henning Döscher
geboren am 17.11.1980 in Bremerhaven
Präsident der Humboldt-Universität zu Berlin:
Prof. Dr. Christoph Markschies
Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I:
Prof. Dr. Andreas Herrmann
Gutachter: 1. Prof. Dr. W. Masselink
2. PD Dr. habil. T. Hannappel
3. Prof. Dr. W. Daum

Eingereicht am: 30.07.2010
Tag der mündlichen Prüfung: 26.10.2010 IIZusammenfassung

Diese Arbeit untersucht das Aufwachsen von GaP auf Si(100)-Oberflächen mittels
metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOVPE) und die damit verbundene
Entstehung von Antiphasendomänen (APDs). Dünne GaP-Schichten auf Si(100)-
Substraten dienen als gitter-angepasstes Modellsystem für die entscheidende III-
V/Si(100)-Grenzfläche für die Herstellung Si-basierter Quasi-Substrate. Die Ver-
messung der Substratoberfläche, der Grenzfläche und der heteroepitaktischen
Filme, die beim Nukleationprozess entstehen, mit oberflächenempfindlichen
Messverfahren dient der Etablierung der Substratbehandlung für ein nachfolgen-
des GaP-Wachstums frei von APDs. Eingehende Untersuchungen in der MOVPE-
Umgebung und entsprechende Verbesserungen der Anlage und der Substratpräpa-
ration führten zu reinen Si(100)-Oberflächen, frei von Sauerstoff und anderen
Verunreinigungen, die mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie nachgewie-
sen wurden. Vorwiegend doppelgestufte Si(100)-Oberflächen, die eine Vorausset-
zung für eine nachfolgende III-V-Integration sind, wurden auf um 0.1°, 2° und 6°
fehlorientierten Substraten erzielt. Im Widerspruch zur etablierten Präparation von
Si(100) im Ultrahochvakuum waren die Dimere auf 0.1° und 2° Proben senkrecht
zu den Doppelstufenkanten ausgerichtet. Dieser entscheidende Unterschied wurde
der Präsenz von Wasserstoff in der MOVPE zugesprochen, die zu einer durch
Infrarotspektroskopie nachgewiesenen Monohydridterminierung nach der Präpa-
ration führt, die aber, wie mittels Reflexions-Anisotropie-Spectroskopie (RAS)
gezeigt, bei höheren Prozesstemperaturen nicht vorliegt. Für die GaP-
Heteroepitaxie auf diesen Substraten wurde ein optisches in-situ Messverfahren
für die quantitative Bestimmung des APD-Gehaltes entwickelt. Das Verfahren
beruht auf einem eingehenden Verständnis der Oberflächenrekonstruktionen von
GaP(100) sowie der Entwicklung der damit zusammenhängenden RAS-
Signaturen, das durch den Vergleich der in-situ Signale mit Messungen durch Ras-
tertunnelmikroskopie und Beugung niedrigenergetischer Elektronen untermauert
wurde. Die APD-Quantifizierung mittels RAS wurde durch empirische Korrektur
von Interferenzeffekten deutlich verbessert. Die Entwicklung optischer Modell-
rechnungen erlaubte zudem die optische Anisotropie der GaP/Si(100)-
Heterogrenzfläche aus RAS-Messungen abzuleiten. Der Abgleich der optischen
in-situ Quantifizierung mit mikroskopischen Methoden, basierend auf niedrig-
energetischen Elektronen (LEEM), Elektronentransmission (TEM) und Raster-
kraftverfahren (AFM), die verschiedenartige Visualisierungsmöglichkeiten für
APDs erlauben, bestätigt die erzielten Ergebnisse. Die Kombination all dieser
Methoden diente der Verbesserung der MOVPE-Prozesse, bestehend aus Sub-
stratbehandlung sowie GaP Nukleation und Wachstum.

III
IVAbstract

The present work investigates the formation of GaP films prepared on Si(100)
surfaces and their anti-phase disorder in metalorganic vapor phase epitaxy
(MOVPE) ambients. GaP films grown on Si(100) substrates served as a lattice
matched model system for the crucial III-V/Si(100) interface to form silicon-
based quasi substrates. A variety of surface-sensitive methods was required to
establish suitable silicon substrate preparation and subsequent GaP growth free of
anti-phase domains (APDs) by analyzing the substrate surface, the interface and
the epitaxial films resulting from the heteroepitaxial nucleation process. Thorough
investigations in the MOVPE ambients and an appropriate improvement of the
equipment and of the VPE preparation process of the substrates led to clean
Si(100) surfaces free of oxygen and other contaminants, as was evidenced by X-
ray photoelectron spectroscopy. Predominantly double-layer stepped Si(100) sur-
faces, as a prerequisite for subsequent III-V integration, were obtained for 0.1°, 2°
and 6° misorientation in [011] direction. In contrast to standard preparation in
ultra-high vacuum (UHV), the double-layer steps on 0.1° and 2° samples featured
dimers oriented perpendicular to the step edges, contradicting well-established
results with and without hydrogen coverage obtained in UHV. This striking differ-
ence was attributed to the presence of hydrogen as a process gas in the MOVPE
environment leading to a silicon surface covered by monohydrides after substrate
preparation, as was determined by Fourier-transform infrared spectroscopy
(FTIR), while reflectance anisotropy spectroscopy (RAS) showed the absence of
hydrogen termination at higher temperatures. On these substrates, optical in situ
spectroscopy was established as a method for the quantitative evaluation of the
APD content in GaP heteroepitaxy. The analysis required a detailed understanding
of the GaP(100) surface reconstructions, which have been described theoretically
in the literature and agree very well with InP(100) surface reconstructions, as well
as the development of the corresponding RAS signatures, gained by benchmark-
ing the optical in situ signals with STM and LEED results. APD quantification by
RAS was greatly improved by an empirical correction of the in situ spectra taking
thin film interferences into account. In addition, optical model calculations were
developed to extract the anisotropy of the GaP/Si(100) heterointerface from the
RAS signals by separation of surface, bulk and interface contributions. The quan-
titative in situ analysis concept was compared to and supported by low energy
electron microscopy (LEEM) experiments, which were established for APD quan-
tification and APD visualization on a mesoscopic length scale, as well as atomic
force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM). Bench-
marking of all of these methods served to improve the MOVPE process consisting
of Si substrate conditioning and GaP nucleation and growth.
V VI
Table of Contents
Zusammenfassung ............................................................................................ III
Abstract ...............................................................................................................V
Publications ....................................................................................................... XI
1 Introduction.....................................................................................................1
1.1 Motivation: High efficiency photovoltaics on Si(100) substrates .............1
1.2 State-of-the-art: III-V semiconductor heteroepitaxy on Si(100) ...............2
1.3 Outline: GaP/Si(100) interfaces and anti-phase disorder ..........................3
2 Experimental ...................................................................................................5
2.1 Metal-organic vapor phase epitaxy............................................................5
2.1.1 Substrates and wet-chemical pretreatment of Si(100) ...................6
2.1.2 Essential process steps for sample preparation..............................6
2.1.3 Sample transfer to ultra high vacuum ............................................7
2.1.4 Access to remote instrumentation..................................................7
2.2 In situ process control................................................................................8
2.2.1 Reflectance anisotropy spectroscopy.............................................8
2.2.2 Curvature sensor and surface temperature.....................................9
2.2.3 Mass spectroscopy.........................................................................9
2.3 Surface characterization in UHV.............................................................10
2.3.1 X-ray photoelectron spectroscopy ...............................................10
2.3.2 Low-energy electron diffraction ..................................................10
2.3.3 Scanning tunneling microscopy...................................................10
2.3.4 Fourier-transform infrared spectroscopy .....................................11
2.3.5 Low-energy electron microscopy ................................................11
2.4 Ex situ characterization............................................................................11
2.4.1 Atomic force microscopy.............................................................11
2.4.2 Transmission electron mic