Charakterisierung der elektronischen und chemischen Eigenschaften reiner polarer InN-Oberflächen und deren Beeinflussung durch Adsorbate

Eisenhardt, Anja GND

Indium nitride (InN) is a III-V semiconductor and due to its low band gap and good electron transport properties a promising candidate for applications in ultrafast transistor and optoelectronic devices. In this context, not only the bulk but also the surface properties of the material are of major interest.This thesis is devoted to the investigation of the electronic and chemical surface properties of as-grown as well as adsorbate covered, polar InN. The InN layers were grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy (MBE) and in-situ characterised by Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) as well as X-ray and Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy (XPS, UPS). The experimental results imply clear differences in the electronic properties of the polar surfaces due to differences of the atomic structure. At the In-polar InN surface, a 2×2 reconstruction, connected with surface states at the Fermi level is responsible for a strong electron accumulation at these InN(0001)- 2×2 surfaces. In contrast, N-polar InN shows a 1×1 surface with occupied surface states at the valence band maximum (at ~ 1,6 eV), connected with a considerably reduced surface downward band bending. Furthermore, changes of the InN surface properties due to adsorbate interaction were systematically studied using UPS and XPS with a special focus on the influence of oxygen and water as important components of the ambient air. The experimental results were discussed with regard to adsorbate bonding, dipole layer formation as well as changes in the surface band bending.Thereby, oxygen atomically bonds to the InN surfaces, acting as electron acceptor and reducing the surface downward band bending of the In-polar InN, while almost no change of the already reduced band bending at N-polar InN is observed. However, the interaction with water results in a strong downward band bending and electron accumulation for both polarities.

Indiumnitrid (InN) gehört zu den III-V Halbleitern und ist durch seine geringe Bandlücke sowie seine guten Elektronentransporteigenschaften ein vielversprechender Kandidat für den Einsatz in ultraschnellen Transistoren und optoelektronischen Bauelementen. Dabei spielen neben den Volumeneigenschaften des Materials vor allem auch die Oberflächeneigenschaften eine entscheidende Rolle. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung der elektronischen und chemischen Oberflächeneigenschaften von reinem sowie adsorbatbedecktem, polarem InN. Die InN-Schichten wurden mittels plasmaunterstützter Molekularstrahlepitaxie (MBE) abgeschieden und in-situ anhand der Beugung hochenergetischer Elektronen (RHEED) sowie mittels Röntgen- und Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (XPS, UPS) untersucht. Hierbei zeigten sich deutliche Unterschiede in den elektronischen Eigenschaften der polaren Oberflächen, die vor allem auf die unterschiedlichen atomaren Strukturen zurückgeführt werden konnten. So kommt es an der In-polaren InN-Oberfläche zur Ausbildung einer 2×2 Oberflächenrekonstruktion, die zu Oberflächenzuständen nahe des Ferminiveaus führen, welche zur Ausbildung einer starken Elektronenakkumulationsschicht an den InN(0001)-2×2 Oberflächen beitragen. Beim reinen N-polaren InN beobachtet man im Gegensatz dazu eine 1×1-Oberfläche mit besetzten Oberflächenzuständen nahe des Valenzbandminimums (bei ~ 1,6 eV), verbunden mit einer deutlich reduzierten Oberflächenabwärtsbandverbiegung. Weiterhin wurden Veränderungen der InN-Oberflächen durch Adsorbatwechselwirkungen systematisch mittels UPS und XPS untersucht und dabei der Einfluss des Sauerstoffs und des Wassers als wichtige Bestandteile der Luft detailliert betrachtet. Die experimentellen Ergebnisse werden im Hinblick auf Informationen zur Anbindung der Adsorbatspezies, zur Dipolbildung sowie zur Beeinflussung der Oberflächenelektronen und damit der Oberflächenbandverbiegung der InN-Proben diskutiert. Dabei zeigt sich, dass Sauerstoff in atomarer Form an die InN-Oberflächen bindet und als Elektronenakzeptor zur Reduzierung der Abwärtsbandverbiegung an den In-polaren InN-Proben beiträgt bzw. kaum einen Einfluss auf die bereits reduzierte Bandverbiegung des N-polaren InN hat. Die Wechselwirkung mit Wasser führt dagegen bei beiden Polaritäten zu einer deutlich ausgeprägten Elektronenakkumulation.

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Eisenhardt, Anja: Charakterisierung der elektronischen und chemischen Eigenschaften reiner polarer InN-Oberflächen und deren Beeinflussung durch Adsorbate. 2013.

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