Influence of material, surface reconstruction and strain on submonolayer growth at Si(111) and Ge(111) surfaces

Cherepanov, Vasilij; Voigtländer, Bert

doi:882

Influence of material, surface reconstruction and strain on submonolayer growth at Si(111) and Ge(111) surfaces

Cherepanov, Vasilij (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Vasily Cherepanov

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangII, 124 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-07-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8829
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59182/files/Cherepanov_Vasilij.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Germanium (Genormte SW) ; Silicium (Genormte SW) ; Kristallfläche (Genormte SW) ; Inselschicht (Genormte SW) ; Schichtwachstum (Genormte SW) ; Molekularstrahlepitaxie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; STM (frei) ; MBE (frei) ; surface reconstruction (frei) ; diffusion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit der experimentellen Untersuchung des Einflusses von Verspannung, Oberflächenrekonstruktion und Material auf die Oberflächendiffusion, die Nukleation und das Wachstum von zweidimensionalen Inseln im Anfangsstadium des epitaktischen Wachstums auf Ge(111) und Si(111) Oberflächen. Es wurden verschiedene Template-Strukturen hergestellt, die sich nur in einer Eigenschaft (Rekonstruktion, Verspannung, oder Material) unterscheiden, um die Abhängigkeit des Wachstums von diesen Eigenschaften zu untersuchen. Die temperaturabhängige Messung der Dichte von zweidimensionalen Inseln und Clustern wurde benutzt um die spezifischen Wachstumseigenschaften auf den verschiedenen Ge(111) und Si(111) Templten zu untersuchen. Es wurde ein theoretische Modell entwickelt, dass ein gekoppeltes System aus kleinen Clustern und zweidimensionalen Inseln umfasst. Die Inseldichten ergeben sich dabei aus der Konkurenz um freie Adatome zwischen zweidimensionalen Inseln und kleinen Clustern. Die Analyse der experimentellen Daten erlaubt die Bestimmung der kritischen Inselgröße stabiler kleiner Cluster beim Wachstum von Si auf Si(111)-(7x7). Die Diffusionsbarrieren von Adatomen auf den verschiedenen Templaten konnten bestimmt werden. Die Stapelfehlerenergie und die Bindungsenergie von Adatomen an kleinen Clustern sind die wichtigen Parameter, die die Inseldichten bestimmen. Die Barriere für die Diffusion von einer Hälfte der Einheitszelle zur nächsten ist auf der (5x5) rekonstruierten Fläche geringer als auf der (7x7) rekonstruierten Fläche. Im Rahmen der Messgenauigkeit ist die Diffusionsbarriere auf der kompressiv verspannten und der relaxierten Ge((111)-(7x7) Oberfläche gleich. Der Haupteffekt der Verspannung ist eine Veränderung der Bindungsenergie von Adatomen mit den kleinen Clustern. Um den Einfluß der Verspannung auf den Einbau von Adatomen in zweidimensionale Inseln zu untersuchen, wurde die Insegrößenverteilung von Ge und Si Inseln auf Si(111)-(7x7) gemessen. Es wurde dieselbe Skalierungsfunktion für zweidimensionale Si und Ge Inseln auf Si(111) gefunden. Das zeigt, dass die Verspannung, die im Fall von Germanium auftritt, keinen entscheidenden Einfluss auf die Anlagerung an Stufenkanten hat. Aber im surfactant-modifizierten Wachstum mit Bi als Surfactant wurde eine unterschiedliche Skalierungsfunktion für Si und Ge gefunden. Kinetische Monte Carlo Simulationen zeigen, dass die stärkere Stufenpassivierung von Ge Inseln zu einem anlagerungslimitierten Wachstum führt, während das Wachstum im Fall von Si diffusionslimitiert ist. Bei höheren Temperaturen wird der Einfluß der Stufenpassivierung geringer und das Inselwachstum kehrt wieder zum diffusionslimitierten Wachstum zurück.

The present work is dedicated to the experimental investigation of influence of strain, surface reconstruction, and material on the surface diffusion, nucleation, and growth of two-dimensional islands at the initial stage of the epitaxial growth on the Ge(111) and Si(111) surfaces. A set of the template surfaces, which are different only in one particular feature (reconstruction, strain, material) was prepared to study the dependence of the growth on these properties. The measurements of the densities of 2D island and small cluster by the scanning tunnelling microscopy as the functions of temperature were used to study the peculiarity of the growth on Ge(111) and Si(111) template surfaces. A theoretical model with a unified treatment of the coupled system of small clusters and 2D islands was developed. In this coupled system the densities of 2D islands and small clusters are determined by their competition for the free adatoms. Analysis of the experimental data for the growth of Si on the Si(111)-(7x7) allowed to determine the critical size of the stable small cluster. Using the effective energies extracted from the temperature dependence of the density of 2D islands and small clusters the values of the diffusion barrier on the template surfaces were determined. The energy barrier to remove the stacking fault and the binding energy of adatoms to the small clusters, which are different for different materials, reconstruction, and applied strain, are the important parameters controlling the density of 2D islands and small clusters during epitaxial growth. The barrier for a diffusion jump from one half unit cell to another is found to be smaller on the (5x5) reconstructed surface than on the (7x7) reconstructed surface The difference in the energy barriers for conversion of the faulted HUC to the normal stacking on the (5x5) and (7x7) reconstructed surfaces results in the large difference of the density of the small clusters on these surfaces. The diffusion barrier is found to be the same (within the measurement accuracy) on the compressively strained and relaxed Ge(111)-(7x7) surface both for the Si and Ge. The main effect of the strain is a change of the binding energy of adatoms with the small clusters. In order to study the effect of strain on the attachment of adatoms to the edges of the growing 2D islands a series of measurements of the island size distribution for deposition of Si and Ge on the Si(111)-(7x7) surface was performed. Analysis of the scaling of the size distribution functions was used to study the characteristics of the attachment. The scaling function for island size distribution was found to be the same for Si and Ge 2D islands on the Si(111)-(7x7) indicating that the 4.2% compressive strain does not make a considerable influence on the process of attachment in the regime of submonolayer growth. However depending on the deposition temperature a different scaling law was found for Si and Ge in the surfactant mediated growth with Bi as a surfactant. The main mechanism which results in the difference of the scaling functions was revealed with the help of Kinetic Monte-Carlo simulations. The consequence of the stronger step edge passivation of the Ge islands results in the transition from the growth limited by the surface diffusion to the growth limited by the attachment kinetics. An increase of the deposition temperature vanishes the role of the passivation and the kinetic regime of the island growth changes to the diffusion limited one.

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