Kurzfassung
Das Surfactant-modifizierte heteroepitaktische Wachstum von Ge auf Si(111)
wurde mit stehenden Röntgenwellenfeldern, Crystal-truncation-rod-Messungen und Rastertunnelmikroskopie
untersucht. Alle Messungen wurden unter Ultrahochvakuum-Bedingungen
durchgeführt. Als Surfactants wurden Gallium, Wismut und atomarer Wasserstoff
benutzt.
Im Falle von Ga wurde der Einfluß der Oberflächenrekonstruktion auf
die Epitaxie studiert. Die Ergebnisse der Messungen mit stehenden
Röntgenwellenfeldern belegen, daß während des
Wachstums auf der Ga:Si(111)-6,3X6,3-Oberfläche Gallium an die
Oberfläche segregiert und eine inkommensurable Rekonstruktion mit
Ga-Atomen auf substitutionellen Plätzen bildet. Im Gegensatz dazu
resultiert die Ge-Deposition auf der Ga:Si(111) 1,73 X 1,73 -R 30° Oberfläche
in einem Wechsel des Ga-Adsorptionsplatzes vom T4- zum substitutionellen
Platz, was zu einer teilweise von Ga unbedeckten Oberfläche führt und
so den in der Literatur berichteten Zusammenbruch der Surfactant-modifizierten
Epitaxie auf Ga:Si(111)erklärt.
Die Sättigung der Si(111)-7x7-Oberfläche mit Bi führt, wie gezeigt
wird, bei 485 Celsius zur Ausbildung der
Bi:Si(111)-1,73X1,73-R 30° -beta-Phase, wobei in Bestätigung des
honeycomb-Models von Woicik etal Bi auf T1-Plätzen über
Si-Atomen sitzt. Die gleiche Adsorptionsgeometrie wurde auch nach
Ge-Deposition vorgefunden, mit Bi auf On-top-Plätzen über Ge. Dem
anfänglichen Lagenwachstum folgt Inselbildung, wie mit Rastertunnelmikroskopie
beobachtet wurde. Die Form der Inseln sind Pyramidenstümpfe mit dreieckiger
Grundfläche und (höchstwahrscheinlich) (113)-artig orientierten Facetten.
Bei höheren Bedeckungen wird die Gitterfehlanpassung durch ein periodisches
Versetzungsnetzwerk (~ 105 Angström Periodizitätslänge) kompensiert,
welches eine mit Rastertunnelmikroskopie beobachtete Höhenmodulation der
Oberfläche verursacht.
Weiteres Aufdampfen von Ge führt zu sehr glatten, entspannten Filmen:
Aus Crystal-truncation-rod-Messungen wurde die mittlere quadratische
Rauhigkeit bei einer Bedeckung von 35 BL Ge zu 3.0 Angström bestimmt.
Dies beweist, daß Bi erfolgreich als Surfactant in der Ge/Si(111)-Epitaxie
eingesetzt werden kann.
Zur Untersuchung der Veränderung des Wachstumsverhaltens durch
Vorbelegung mit atomarem Wasserstoff wurden stehende Röntgenwellenfelder mit
photonenstimulierter Desorption kombiniert. Wird die Photonenenergie über die
Ge-K-Absorptionskante
hinweg variiert, zeigt sich in der H+-Desorptionsausbeute ein steiler
Anstieg um einen Faktor >= 10. Deshalb kann das H+-Signal als Sonde
für die Position von Ge-Oberflächenatomen aufgefaßt werden.
Messungen mit stehenden Röntgenwellenfelderm wurden an Ge-Schichten
durchgeführt, die bei Temperaturen im Bereich von 380° Celsius bis 440° Celsius
aufgedampft wurden.
Mit steigender Bedeckung wird dabei eine sehr starke Störung der kristallinen
Ordnung des Ge beobachtet, was unter diesen Wachstumsbedingungen den
Einsatz von atomarem Wasserstoff als Surfactant verbietet.
The surfactant mediated heteroepitaxial growth of Ge on Si(111) has been investigated by x-ray standing waves, crystal truncation rod measurements and scanning tunneling microscopy. All measurements were performed under ultra-high vacuum conditions. As surfactants Gallium, Bismuth, and atomic hydrogen were used. In case of Ga, the influence of surface reconstruction on epitaxy has been studied. X-ray standing waves results prove, that during growth on the Ga:Si(111)-6,3x6,3-surface Ga segregates on the surface and a discommensurate reconstruction with Ga atoms in substitutional sites is formed. In contrast, Ge deposition on the Ga:Si(111)-1,73X1,73 R 30° surface results in change of Ga adsorption site from T4 to substitutional, which leads to a partially Ga-free surface and thus explains the break-down of surfactant mediated epitaxy on Ga:Si(111)- reported in the literature. Bi-saturation of the Si(111)-7x7 surface at 485 Celsius shown to result in formation of the Bi:Si(111)-1,73X1,73-R 30°-beta-phase, with Bi residing in T1 sites on top of Si atoms, confirming the honeycomb model proposed by Woicik \etaltext The same adsorption geometry was found after Ge deposition, with Bi in on top Ge sites. Initial layer-by-layer growth is followed by island formation, as observed by scanning tunneling microscopy. The island shape is a frustrum of a tetrahedron with (most likely) (113)-like oriented facets. At higher coverages, lattice mismatch is compensated by a periodic network of dislocations (~105 Angstroem periodicity), which causes a height undulation of the surface observed by scanning tunneling microscopy. Further deposition leads to very smooth, strain relaxed Ge-films: From crystal truncation rod measurements, the root-mean-square surface roughness was determined to 3.0 Angstroem at 35 BL Ge coverage. This proves that Bi can be used successfully as a surfactant in Ge/Si(111) epitaxy. To investigate the change of growth behaviour due to preadsorption of atomic hydrogen, x-ray standing waves have been combined with photon stimulated desorption. Tuning the photon energy across the Ge K absorption edge, the H+ desorption yield shows a steep increase by a factor >= 10. Therefore the H+ signal can be considered to probe the position of surface Ge atoms. X-ray standing waves measurements were performed for Ge layers deposited on H:Si(111)-(1x1) at temperatures between 380° Celsius and 440° Celsius. With increasing coverage, a very strong distortion of the Ge crystalline order is observed, which under these growth conditions prohibits the use of atomic hydrogen as a surfactant.