GaPN-on-Si(100) and buried interfaces

Abstract

Effiziente und erneuerbare Wasserstofferzeugung ist eine der entscheidenden Herausforderungen für eine von fossilen Brennstoffen unabhängige Gesellschaft. Tandem-Absorber-Strukturen, die auf verdünnt Stickstoff-haltigem GaPN/Si(100) basieren, sind vielversprechend für die Wasserstoffproduktion mittels direkter solarer Wasserspaltung. Ihre Herstellung mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) ist anspruchsvoll, insbesondere bezüglich gezielter Präparation der Grenzflächen. Wegen der geringen Gitterfehlanpassung eignen sich pseudomorphe GaP/Si(100) Strukturen als Quasisubstrate für weitere Integration anderer III-V Halbleiter. In der vorliegenden Arbeit wird die atomare Ordnung von Si(100) und GaP(N)/Si(100) Oberflächen, sowie der vergrabenen GaP/Si(100) Heterogrenzfläche in situ mit Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) untersucht. RAS Ergebnisse werden dabei mit Ergebnissen komplementärer Methoden der Oberflächenanalytik im Ultrahochvakuum (UHV) verglichen, beispielsweise mit niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Die Präparation nahezu eindomäniger, dimerisierter Si(100) Oberflächen gelingt erfolgreich in MOVPE Atmosphäre mit Hintergrundverunreinigungen von (Ga, P) und kann in situ mit RAS kontrolliert werden. Die Untergitterorientierung des GaP Films kann dabei über (i) die Dimerorientierung des Si Substrats, (ii) das (Ga,P) chemische Potential während der Nukleation und (iii) über Modifikation der Si-Oberfläche mit As gesteuert werden. Aus der Korrelation zeitaufgelöster RAS- und XPS-Messungen sowie Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen kann unter typischen Prozessbedingungen auf die kinetisch limitierte Bildung einer Si-P Grenzfläche geschlossen werden. Im Anschluss an eine nur wenige Atomlagen dicke GaP Nukleationsschicht können Antiphasen-Unordnungs-freie GaPN/Si(100) Oberflächen präpariert werden. Diese rekonstruieren analog zu GaP/Si(100) Oberflächen, wenn überschüssiger N vermieden wird.

Renewable and efficient generation of hydrogen is one of the key challenges towards a society being independent from fossil fuels. Tandem absorber structures based on dilute nitride GaPN/Si(100) are promising candidates regarding hydrogen evolution by direct solar water splitting. Their production by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) is challenging, particularly regarding specific preparation of the interfaces. Due to the small lattice mismatch, GaP/Si(100) structures are suitable as quasisubstrates for further integration of III-V semiconductors. In the present work, the atomic order of Si(100) and GaP(N)/Si(100) surfaces, as well as of the buried GaP/Si(100) heterointerface is studied in situ with reflection anisotropy spectroscopy (RAS). RAS results are benchmarked to results from complementary surface science techniques in ultrahigh vacuum (UHV), such as low energy electron diffraction (LEED) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Preparation of almost single-domain dimerized Si(100) surfaces succeeds in MOVPE ambient containing (Ga, P) background residuals and can be controlled in situ with RAS. The sublattice orientation of the GaP films can thereby be selected (i) via the dimer orientation on the Si substrate, (ii) via the (Ga,P) chemical potential during nucleation, or (iii) via modification of the Si surface with As. Correlating time-resolved RAS and XPS measurements as well as density functional theory calculations, for typical process conditions it can be concluded on a kinetically limited formation of a Si-P interface. Subsequent to a GaP nucleation layer, which is only few atomic layers thick, GaPN/Si(100) surfaces free of antiphase disorder can be prepared. These reconstruct in analogy to GaP/Si(100) surfaces if excess N is avoided.