Kurzfassung
In dieser Arbeit wurden experimentelle und theoretische
Untersuchungen der elektronischen Oberflächen- und Substratstruktur an zwei
bedeutenden Klassen von Halbleitern durchgeführt: Es wurde die III-V Verbindung
GaN mit einer hexagonalen Wurtzitstruktur und die II-VI Verbindung ZnSe, welche
in Zinkblendestruktur vorliegt, untersucht. Diese Materialien sind aktuell von
großem Interesse, da ihre optischen Bandlücken im blau-grünen Spektralbereich
liegen und ihre Oberflächeneigenschaften sind von großer Bedeutung für das
Design licht-emittierender photonischer Elemente. Als experimentelle Technik
wurde hauptsächlich winkelaufgelöste Photoemission unter Verwendung von
Synchrotronstrahlung verwendet. Die Messungen wurden am Hamburger
Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB) am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY)
in Hamburg durchgeführt. Die theoretischen Untersuchungen wurden mit Hilfe von
ab initio Dichtefunktionaltheorie (density functional theory) Berechnungen im
Rahmen der lokale Dichte (local density) oder verallgemeinerter Gradient
(generalized-gradient) Näherung für die Austausch-Korrelations Funktio-nale
durchgeführt. Für den Transport der Proben von der Probenwachstumsanlage in
Würzburg zum Experiment in Hamburg wurde eine Transferkammer entwickelt.
Winkelaufgelöste Photoelektronen Spektroskopie wurde intensiv zur Abbildung der
Bandstruktur eingesetzt. Unter Annahme des einfachen freier
Elektronen-Endzustand Modelles wur-den mehrere Richtungen der Substrat
Brillouinzone hoher Symmetrie auf die gleiche Oberflächenorientierung
abgebildet. Neben der Abbildung der elektronische Band-struktur von Oberflächen
mit Standardtechniken wurde zusätzlich die chemische Zusammensetzung der
Oberflächen mit winkelintegrierter Rumpfelektronen Photoemission bestimmt. Die
theoretischen Untersuchungen dienten nicht nur zur Verifizierung der
Photoemissionsmessungen – sie bildeten vielmehr die Planungsgrundlage für die
durchgeführten Experimente, indem versucht wurde, die zu messenden Strukturen
vorherzusagen. Es wurde die detailierte elektronische Struktur der
ZnSe(001)-c(2x2) Oberflächenrekonstruktion berechnet, welche die stabilste
Rekonstruktion der ZnSe(001)-Oberfläche darstellt. Die durchgeführten
Berechnungen stimmen gut mit den Messungen überein und sagen vorher, daß alle
Oberflächenstrukturen innerhalb der obersten zwei Lagen der Rekonstruktion
liegen. Es wurden GaN-Proben zweier Orientierungen untersucht: Dünne Filme mit
(0001)- und Einkristalle mit (000-1)-Orientierung. Die Übereinstimmung zwischen
Theorie und Experiment ist gut bezüglich der Substrateigenschaften, aber nicht
alle Oberflächenstrukturen werden durch die Berechnungen erklärt. Als
Erklärungsansatz wird vorgeschlagen, daß die GaN-Oberfläche aus kleinen Domänen
verschiedener Rekonstruktionen besteht.
Experimental and theoretical investigations of the surface and bulk
electronic structure of two important classes of semiconductors are reported:
the III-V compound GaN with a hexagonal wurtzite crystal lattice and II-VI
compound ZnSe with the zinc-blende crystal lattice. These materials are of
current interest because their fundamental optical gaps lie in the blue-green
spectral region and their surface properties are of great importance in
light-emitting photonic devices. The main experimental technique used was
angle-resolved photoemission with synchrotron radiation performed at the
Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB) at the Deutsches
Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg. The theoretical calculations used ab
initio density-functional theory with the local-density, or generalized-gradient
approximations, for the exchange-correlation functional. An experimental system
for transferring samples directly from the growth cham-ber in Würzburg to the
experiment in Hamburg was developed. Extended use of angle-resolved
photoelectron spectroscopy as a band-mapping technique was applied. By assuming
the simple free-electron final state model several high-symmetry direc-tions of
the bulk Brillouin zone were mapped on the same surface orientation. The
electronic band structures of surfaces were mapped using standard techniques,
and in addition the chemical composition of the surfaces were determined using
angle-integrated core-level photoemission. The theoretical work served not only
as a verification of the photoemission measurements, but was rather a driving
force for planning the experiments by predicting the features to be measured.
The surface electronic structure was calculated in detail for the
ZnSe(001)-c(2x2) which is the most stable reconstruction on the ZnSe(001) face.
The calculations give very good agreement with the measurements and the theory
predicts that all the surface features to lie within the two uppermost layers of
the reconstructed surface. Two differently oriented types of GaN samples were
investigated: thin films with (0001) and single crystals with (000-1)
orientations. There is a good agreement in case of a bulk specimen but not all
the surface features are explained by the theoretical calculations. As an
explanation it is proposed that the surfaces of GaN contain small domains with
different reconstructions.