Quasi-van der Waals-Epitaxie von GaSe auf Si und GaAs: Struktur und elektronische Eigenschaften

Abstract

Es wurden epitaktische Filme von GaSe auf Si(111):H, Si(111)-7x7, Si(111):Se und Si(111):Ga-Substraten gewachsen. Die Ausbildung einer GaSe- Halblagenrekonstruktion auf Si konnte fuer alle Substrate bestaetigt werden. Ideales Wachstumsverhalten wurde fuer die gezielte Erzeugung der Halblage durch sequentielles Abscheiden von Gallium und Selen auf Si(111)-7x7 vor dem GaSe-Filmwachstum gefunden. Es konnte gezeigt werden, dass die Si-H-Bindungen von Si:H bei GaSe Abscheidung nicht stabil sind. Die chemisch passivierende Wirkung von duennen GaSe-Schichten auf Si(111) wurde untersucht. Die Probe mit der GaSe-Schicht zeigte dabei eine signifikant bessere Schutzwirkung vor Oxidation des Si-Substrates gegenueber der Vergleichsmessung mit Si(111):H. Die elektronische Bandanpassung von GaSe/Si(111) wurde. Die Ausbildung eines Oberflaechendipols von delta=-0,44 eV (erhoehten Ionisisationsenergie) durch die Si-Ga-Se-Halblage wurde gemessen. Dieser Dipol bleibt auch nach GaSe- Filmwachstum unveraendert. Die Valenzbanddiskontinuitaet ergibt sich zu: D-Evb= 0,15 eV und die Leitungsbanddiskontinuitaet ist: D-Elb= -0,77 eV. Weiterhin wurde die elektronische Bandstruktur vom GaSe Einkristall, von GaSe- Filmen und einer Si-Ga-Se-Halblage mit ARUPS gemessen. Das Wachstum von hexagonalem GaSe auf GaAs(110), Si(110) und Si(001) wurde untersucht. Die Oberflaechensymmetrie der ersten beiden Substrate ist rechteckig und die des dritten quadratisch. Trotzdem gelang es trigonale GaSe-Filme auf diesen Substraten epitaktisch abzuscheiden. Fuer qvdWE-Heterosysteme mit Substraten, die keine hexagonale bzw. trigonale Oberflaechensymmetrie aufweisen, wurde der Begriff van der Waals-Xenotaxie vorgeschlagen.

Oriented films of GaSe were achieved on differently prepared Si(111)-substrates such as: Si(111):H, Si(111)-7x7, Si(111):Se and Si(111):Ga. The results confirm a GaSe-half-sheet Termination (Si-Ga-Se) for all substrates. Best crystalline quality of GaSe-films was achieved for subsequent deposition of Ga and Se on the Si(111)-7x7 -substrate. The H-termination is evidently lost at the GaSe/Si(111):H -interface. Thin layers of GaSe were shown to preserve the Si surface from oxidation. The electronic band line-up of GaSe/Si(111) was determined. The terminating Ga-Se layer leading to a surface dipole of delta=-0,44 eV (towards higher ionization energy) precedes the growth of the GaSe film. No additional interface dipole resulted from the GaSe layer. The valence band offset yields to: D-Evb= 0,15 eV and the conduction band offset to: D-Ecb= -0,77 eV. Furthermore, the electronic band structure of a GaSe single crystal, GaSe films and the Si-Ga-Se termination was determined with ARUPS. Growth of GaSe-films on GaAs(110), Si(110) and Si(001) substrates were investigated. The surface symmetry of the latter is cubic and the others have rectangular symmetry. Despite the different symmetry of surface and film, an epitaxial growth of GaSe-films on these three substrates was found. The term van der Waals-Xenotaxie was suggested for qvdWE heterosystems on three dimensional substrates with non hexagonal (or trigonal) surface symmetry.