Lukasz Plucinski, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2002 :

"Elektronische Struktur des Volumens und der Oberfläche von Galliumnitrid und Zinkselenid."


"Bulk and surface electronic structure of gallium nitride and zinc selenide."



Schlagwörter: electronic structure, surface reconstruction; semiconductor surfaces; scanning tunneling microscopy; low-energy electron diffraction; photoelectron spectroscopy; density functional theory; gallium nitride; zinc selenide;
PACS : 73.20.-r; 79.60.-i; 79.60.Bm; 73.20.At; 71.20.Nr; 71.15.Mb;
Volltext

Summary

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.

Titel

Kurzfassung

Summary

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.