Epitaxially Grown GaAs Surfaces Within the Stereographic Triangle

Das Ziel dieser Dissertation war die Erforschung von GaAs-Oberflächen, deren Orientierungen im Inneren des stereografischen Dreiecks liegen, also weit entfernt von den niederindizierten Ebenen (001), (110) und (111). Verschiedene Oberflächen wurden mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) präpariert und in situ mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Elektronenbeugung (LEED, RHEED) untersucht. GaAs(112)A ist instabil und zerfällt in Facetten. Einige dieser Facetten weisen eine Orientierung nahe {124} auf, einer Ebene im Inneren des stereografischen Dreiecks. Auf GaAs(113)A-(8x1) wurde eine stark anisotrope Stufenstruktur beobachtet. Während Stufen entlang [33-2] über bis zu 2000Å gerade verlaufen, sind Stufen entlang [1-10] sehr rauh. Dieses Phänomen wurde mit Hilfe der Elektronen-Zählregel (ECR) erklärt. Unter gewissen Präparationsbedingungen entstehen in Richtung [33-2] mesoskopische Gräben, auf deren Seitenwänden Abschnitte mit der Orientierung {3 7 15} auftreten. Diese Ebene liegt ebenfalls im Inneren des stereografischen Dreiecks. Um diesen Hinweisen auf eine stabile Oberfläche im Inneren des stereografischen Dreiecks nachzugehen, wurden sphärische Mulden in GaAs(113)A-Proben geschliffen. In diesen Mulden wurde eine bisher unbekannte stabile Oberfläche entdeckt. Deren Miller-Indizes wurden in weiteren Versuchen auf entsprechenden planaren Proben zu (2 5 11) bestimmt. Die (1x1)-Einheitszelle der Rekonstruktion enthält eine geneigte Folge von drei Arsendimeren und erfüllt die ECR. Die Oberfläche besteht aus großen Terrassen ohne Inseln oder Löcher, auf denen sich schmale Streifen der Orientierung (3 7 15) bilden. Der Winkel zwischen dieser Ebene und (2 5 11) beträgt nur 1°. GaAs(3 7 15) verletzt die ECR, aber die Dichte der hängenden Bindungen ist nur um 0,1% höher als auf GaAs(2 5 11). Es wurde gefolgert, daß generell auf Halbleiter-Oberflächen durch die Minimierung der Anzahl der hängenden Bindungen ein deutlich größerer Stabilitätsgewinn erzielt wird als durch das Erreichen eines halbleitenden Grundzustandes. Mit Hilfe der Resultate zu GaAs(2 5 11) wurden auf STM-Bildern von InAs/GaAs(001)-Quantenpunkten einhüllende Facetten zweifelsfrei als {137} identifiziert. Die Entdeckung von GaAs(2 5 11), der ersten stabilen Oberfläche im Inneren des stereografischen Dreiecks, wirft die Frage auf, was es noch für Oberflächen geben mag.The aim of this thesis was to investigate GaAs surfaces whose orientations are located inside the stereographic triangle, i.e., far from the low-index planes (001), (110) and (111). Various surfaces were prepared by using molecular beam epitaxy (MBE), and characterized in situ by scanning tunneling microscopy (STM) and electron diffraction (LEED, RHEED). GaAs(112)A is not stable but decays into facets. Some of these facets are oriented in a direction close to {124}. This plane is located inside the stereographic triangle. On GaAs(113)A-(8x1) a highly anisotropic step structure was observed. While steps along [33-2] are straight for up to 2000Å without any kinks, steps along [1-10] are very rough. This phenomenon was explained on the basis of the electron counting rule (ECR). Under certain preparation conditions, mesoscopic valleys appear along [33-2]. Parts of their sidewalls are of the orientation {3 7 15}. This plane is also located inside the stereographic triangle. In order to check the aforementioned indications that there is a stable surface inside the stereographic triangle, spherical depressions were ground into GaAs(113)A samples. A hitherto unknown stable surface was discovered in these depressions. Further experiments on suitably cut planar samples revealed that the Miller indices of this new surface are (2 5 11). The (1x1) unit mesh of the reconstruction contains an inclined series of three arsenic dimers and fulfills the ECR. The surface consists of large terraces without any islands or holes. Narrow stripes with the orientation (3 7 15) form on the surface. The angle between this plane and (2 5 11) is only 1°. GaAs(3 7 15) violates the ECR, but the density of dangling bonds is only 0.1% greater than on GaAs(2 5 11). It was concluded that, in general, on semiconductor surfaces the gain in stability arising from the minimization of the number of dangling bonds is significantly greater than the gain arising from reaching a semiconducting ground state. On the basis of the results for GaAs(2 5 11), the bounding facets of InAs/GaAs(001) quantum dots were unambiguously identified in STM images as {137}. The discovery of GaAs(2 5 11), the first stable surface inside the stereographic triangle, raises the question of what other surfaces there may be