Structure of GaAs surfaces and their importance for InAs quantum dots

Hintergrund der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Form von selbst organisiert wachsenden InAs-Quantenpunkten. Motiviert von experimentellen Beobachtungen anderer Forschungsgruppen wurden zunächst hochindizierte GaAs-Oberflächen untersucht, um die atomaren Strukturen der planaren Substrate mit denen der Facetten der Quantenpunkte vergleichen zu können. Die Oberflächen wurden durch Molekularstrahlepitaxie präpariert und anschließend \emphin situ, d.h. ohne die Ultrahochvakuum-Umgebung zu unterbrechen, mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Elektronenbeugung (LEED, RHEED) untersucht. Die Form der InAs-Quantenpunkte wurden ermittelt, indem dreidimensionale InAs-Inseln auf GaAs(001) gewachsen und unmittelbar nach ihrem Entstehen abgekühlt wurden, um sie mit dem STM untersuchen zu können. Die GaAs(-1-1-3)B-Oberfläche zeigt zwei unterschiedliche Phasen auf. Eine Ga-reiche Phase, die bereits beim Wachsen mit Hilfe von RHEED beobachtet wurde, besitzt eine (8x1)-Rekonstruktion und wird als die zur GaAs(113)A(8x1) analogen Rekonstruktion identifiziert. Die GaAs(-1-1-3)B(8x1)-Struktur wird aus Ga-Dimeren gebildet, die zu einer zickzackförmigen Reihe angeordnet sind. Dabei treten die Zickzackreihen in zwei unterschliedlichen atomaren Ebenen auf. Kennzeichnend für diese Oberfläche ist eine extrem anisotrope Stufenstruktur. Es wird festgestellt, daß die Zickzackreihen sehr lang ausgedehnt sein können. Mittels RHEED-Intensitätsoszillationen wird diese Anisotropie auf ein bevorzugtes Wachstum entlang einer Zickzackreihe zurückgeführt. Im Unterschied zur GaAs(113)A(8x1)-Oberfläche zeigt die GaAs(-1-1-3)B(8x1)-Oberfläche keine mesoskopische Welligkeit auf sondern sehr weite und glatte Terrassen. Eine zweite Phase wird unter As-reichen Präparationsbedingungen gefunden. Die atomaren Strukturen dieser Phase zeigen nur eine lokale Ordnung, die in der Lage sind, die Oberfläche gegenüber einem Zerfall in Oberflächen niedrigerer Energie, d.h., gegen eine Facettierung der Oberfläche, zu schützen. Auf der GaAs(114)A-Oberfläche werden ebenfalls zwei Phasen gefunden. Die atomare Anordnung einer As-reichen Phase, die während des Wachstums vorherrscht, kann auf ein bereits bestehendes Strukturmodell zurückgeführt werden. Diese Phase zeigt darüber hinaus eine Rauhigkeit auf atomarer Skala, die die Oberfläche in (113)- und (115)-orientierte Bereiche aufteilt. Unter Ga-reichen Präparationsbedingungen wird ein Übergang zu einer sehr glatten und wohlgeordneten Struktur beobachtet. Für diese Oberfläche wird ein Strukturmodell entwickelt, das verglichen mit der GaAs(-1-1-3)B(8x1) erstaunlich einfach aufgebaut ist. Es entsteht unmittelbar aus der idealen Oberfläche, ohne daß zusätzliche Atome hinzugefügt werden. Dieses mit GaAs(114)alpha2(2x1) bezeichnete Strukturmodell wird zusätzlich in Zusammenarbeit mit P. Kratzer durch ab-initio-Gesamtenergierechnungen als Niederenergiefläche bestätigt. Auf den Facetten von InAs-Quantenpunkten wird eine atomare Struktur gefunden, die auf keine der bisher untersuchten Oberflächen hindeutet. Statt dessen zeigen die 3D-Inseln ausgeprägte Facetten, deren Oberflächennormalen auf hochindizierte Oberflächen im Inneren des stereographischen Dreiecks deuteten. In Zusammenarbeit mit Experimenten an GaAs(2 5 11)-Flächen, die von L. Geelhaar an derselben Apparatur durchgeführt wurden, können die Facetten zweifelsfrei als {137}-Oberflächen identifiziert werden. Die Untersuchungen an den GaAs(2 5 11)-Oberflächen lassen den Schluß zu, daß die {137} lediglich semistabil sind. Die Semistabilität von {137} wird daher in Betracht gezogen, die schmale Größenverteilung von InAs-Quantenpunkten zu erklären. Darüber hinaus wird die atomare Struktur der Benetzungsschicht zwischen den Inseln mit derjenigen eines 1 Monolage dicken InAs-Films verglichen. Diese Experimente geben Grund zur Annahme, daß In nicht vollständig in die Kristallstruktur eingebaut wird, sondern eine lokal geordnete, schwach gebundene Schicht oberhalb einer (In/Ga)As-Mischstruktur bildet. Es wird daher vermutet, daß diese In-Schicht für die beobachtete hohe Mobilität von InAs auf GaAs verantwortlich ist