Benchmarking surface signals when growing GaP on Si in CVD ambients

Abstract

Diese Arbeit untersucht das Aufwachsen von dünnen GaP-Schichten auf Si(100)-Oberflächen mittels metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOVPE) und die damit verbundene Entstehung von Antiphasendomänen (APDs). Die Vermessung der Si(100)-Substratoberfläche, der III-V/Si(100)-Grenzfläche und der abgeschiedenen GaP-Filme mit oberflächenempfindlichen Messverfahren dient der Etablierung APD-freier III-V-Heteroepitaxie auf Si(100). Die Präparation reiner Si(100)-Oberflächen frei von Sauerstoff in der MOVPE-Umgebung konnte durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) belegt werden. Vorwiegend doppelgestufte Substrate wurden sowohl auf 0.1°, 2° als auch 6° fehlorientierten Substraten erzielt. Im Widerspruch zu etablierten Ergebnissen im Ultrahochvakuum richteten sich die Dimere auf 0.1° und 2° Proben senkrecht zu den Doppelstufenkanten aus, vermutlich durch den Einfluss des Wasserstoffs in der MOVPE. Infrarotspektroskopie (FTIR) belegte eine Monohydridterminierung infolge der Präparation, während in-situ Reflexions-Anisotropie-Spectroskopie (RAS) zeigte, dass diese 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, welches auf dem eingehenden Verständnis der Rekonstruktionen von GaP(100), der assozierten RAS-Signaturen und dem mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Beugung niedrigenergetischer Elektronen (LEED) etablierten mikroskopischen Verständnis der Oberflächen beruht. Die APD-Quantifizierung mittels RAS wurde durch empirische Korrektur von Interferenzeffekten und optische Modellrechnungen, die auch Rückschlüsse auf die Grenzflächenanisotropie erlauben, deutlich verbessert. Der Abgleich mit unterschiedlichsten Mikroskopiemethoden, basierend auf niedrigenergetischen Elektronen (LEEM), Elektronentransmission (TEM) und Rasterkraftverfahren (AFM) bestätigt die erzielten Ergebnisse.

The present work investigates the growth of thin, pseudomorphic GaP films by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) on Si(100) surfaces by a variety of surface-sensitive methods and pays with specific attention to the substrate induced anti-phase disorder in this lattice matched model system for III-V/Si(100) heteroepitaxy. Thorough X-ray photoelectron spectroscopy investigations verified the preparation of clean Si(100) surfaces free of oxygen in the MOVPE ambient. Predominantly double-layer stepped Si(100) surfaces were obtained for 0.1°, 2°, and 6° misoriented substrates. In contrast to results established in ultra-high vacuum (UHV), double-layer steps with dimers oriented perpendicular to their edges were observed, which was attributed to the presence of hydrogen as a process gas in the MOVPE environment. A monohydride termination of Si(100) was determined after substrate preparation by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), while reflectance anisotropy spectroscopy (RAS) showed the absence of hydrogen termination at higher temperatures. Optical in situ spectroscopy was established as a method for the quantitative evaluation of anti-phase disorder in GaP heteroepitaxy based on a detailed understanding of the GaP(100) surface reconstructions, of the development of the corresponding RAS signatures, and of the associated surface structure studied by scanning tunneling microscopy (STM) and low-energy electron diffraction (LEED). The in situ RAS quantification was greatly improved by empirical correction of thin film interference and optical model calculations, which also enable extraction of the GaP/Si(100) interface anisotropy. The characterization was supported by benchmarking to atomic force microscopy (AFM) and transmission electron microscopy (TEM) results as well as to low energy electron microscopy (LEEM), which was used for surface sensitive visualization of anti-phase domains on a mesoscopic length scale.