Electronic properties of semiconductor surfaces and metal/semiconductor interfaces

Abstract

This thesis reports investigations of the electronic properties of a semiconductor surface (silicon carbide), a reactive metal/semiconductor interface (manganese/silicon) and a non-reactive metal/semiconductor interface (aluminum-magnesium alloy/silicon). The (2x1) reconstruction of the 6H- SiC(0001) surface has been obtained by cleaving the sample along the 0001 direction. This reconstruction has not been observed up to now for this compound, and has been compared with those of similar elemental semiconductors of the fourth group of the periodic table. This comparison has been carried out by making use of photoemission spectroscopy, analyzing the core level shifts of both Si 2p and C 1s core levels in terms of charge transfer between atoms of both elements and in different chemical environments. From this comparison, a difference between the reconstruction on the Si-terminated and the C-terminated surface was established, due to the ionic nature of the Si-C bond. The growth of manganese films on Si(111) in the 1-5 ML thickness range has been studied by means of LEED, STM and photoemission spectroscopy. By the complementary use of these surface science techniques, two different phases have been observed for two thickness regimes (<1 ML and >1 ML), which exhibit a different electronic character. The two reconstructions, the (1x1)-phase and the (√3 x √3)R30°-phase, are due to silicide formation, as observed in core level spectroscopy. The growth proceeds via island formation in the monolayer regime, while the thicker films show flat layers interrupted by deep holes. On the basis of STM investigations, this growth mode has been attributed to strain due to lattice mismatch between the substrate and the silicide. Co- deposition of Al and Mg onto a Si(111) substrate at low temperature (100K) resulted in the formation of thin alloy films. By varying the relative content of both elements, the thin films exhibited different electronic properties, manifested by the observation of quantum well states and a surface state. The resulting shift in binding energy of both quantum well states and surface state has been interpreted in terms of the virtual crystal approximation model where the main effect of the alloying process is attributed to the change of electron density of the system. For this system, the variation of photoemission intensity as a function of photon energy has been also investigated and explained in terms of collective excitations.

Diese Dissertation befasst sich mit der Untersuchung der elektronischen Eigenschaften einer Halbleitersoberfläche (Siliziumcarbid), einer reaktiven Metall/Halbleiter-Grenzfläche (Mangan/Silizium) und einer nicht-reaktiven Metall/Halbleiter-Grenzfläche (Aluminum-Magnesium-Legierung/Silizium). Die (2x1) Rekonstruktion der 6H-SiC(0001) Oberfläche wurde durch Spaltung der Probe entlang der 0001 Richtung erlangt. Diese Rekonstruktion ist für diesen Verbundhalbleiter noch nie beobachtet worden. In dieser Arbeit wird SiC mit den Element-Halbleitern der 4. Gruppe des Periodensystems verglichen. Dieser Vergleich wurde mittels Photoelektronenspektroskopie durchgeführt, durch die Analyse von Verschiebungen des Si 2p und C 1s Rumpfniveaus im Sinne von Ladungsaustausch zwischen Atomen der beiden Elemente und in unterschiedlichen Umgebungen. Mittels dieses Vergleiches konnte ein Unterschied zwischen den Rekonstruktionen auf der Si-terminierten und der C-terminierten Oberfläche aufgrund der ionischen Eigenschaft der Si-C Bindung interpretiert werden. Das Wachstum von dünnen Mangan-Schichten auf Si(111) im Bereich von 1-5 Monolagen wurde mittels LEED, STM und Photoemission untersucht. Durch den Einsatz dieser Methoden wurden zwei verschiedene Phasen im Bereich unterhalb einer Monolage sowie oberhalb dieser Schichtdicke beobachtet, welche eine unterschiedliche elektronische Struktur aufweisen. Die beiden beobachteten Rekonstruktionen, (1x1) und (√3 x √3)R30° entstehen durch Bildung von Mangan-Silizid, wie durch Rumpfniveau-Spektroskopie nachgewiesen wurde. Das Wachstum geschieht durch Inselbildung im Bereich der Monolage, während die dickeren Schichten flache Regionen zeigen, welche von tiefen Löchern unterbrochen werden. Dieser Wachstumsmodus wird auf das Auftreten von Verspannungen, aufgrund der Gitterfehlanpassung zwischen Substrat und Schicht, zurückgeführt, deren Einfluß in den STM-Bildern zu beobachten ist. Durch Kodeposition von Al und Mg auf Si(111) wurden Al/Mg-Legierungs- Schichten erzeugt. Durch Variation der Verdampfungsraten wurden Legierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung erzeugt, und deren elektronische Struktur durch Valenz Photoemission untersucht. In den Schichten werden Quantentopf-Zustände und Oberflächen- Zustände beobachtet. Deren Verschiebung als Funktion der Zusammensetzung wird im Rahmen der "virtual crystal approximation" analysiert. Die Variation der Photoemissions-Intensität als Funktion der Photonen- Energie konnte durch die Anregung von Plasmonen erklärt werden, deren Energien von der Elektronendichte der Legierung abhängen.