Atomic and electronic properties of 4H-SiC(1-102) and 4H-SiC(-110-2) surfaces

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Diplomarbeit wurden die Rekonstruktionsphasen der 4H-SiC(1-102) Oberfläche sowie jene der 4H-SiC(-110-2) Oberfläche mit oberflächensensitiven Analyseverfahren untersucht. Da es sich bei den untersuchten Oberflächen um Oberflächen mit einer diagonalen Orientierung innerhalb des Kristallgitters handelt, weisen sie eine Periodizität auf, die eine intrinsische Nanostrukturierung auf diesen Oberflächen zur Folge haben könnte.<br />Untersuchungen mit LEED offenbaren anfangs eine periodische (1x1) Struktur von derselben Art wie jener des Volumens für beide Oberflächenarten. Nach Aufdampfen von Silizium und Heizen der Proben ist auf der 4H-SiC(1-102) Oberfläche zuerst ein (2x1) LEED Muster erkennbar, sowie eine c(2x2) und schließlich wieder eine (1x1) Phase bei höheren Temperaturen. STM Aufnahmen der (2x1) Phase zeigen, dass sich auf flachen Terrassen lineare und äquidistante Ketten aus Adatomen bilden, die in Hinblick auf AES-Messungen aus dem zusätzlich aufgedampften Silizium bestehen. Anhand von Experimenten mit PES und ARPES konnte die Existenz eines Oberflächenzustands mit einer geringen Dispersion entlang dieser Ketten nachgewiesen werden, während normal dazu keine Dispersion auftritt. Dies lässt auf eine eindimensionale elektronische Struktur entlang der atomaren Ketten schließen. Während die Oberflächenzusammensetzung der c(2x2) Phase ungefähr jener des Volumens entspricht, führt eine weitere, mit AES nachgewiesene Si-Verarmung zu der Ausbildung einer (1x1) Phase mit einer mit C angereicherten Oberfläche. Wie LEED Messungen ergeben, formiert sich auf der (-110-2) Oberfläche nach Si-Abscheidung und Heizen zunächst eine (1x2) Struktur.<br />Bei höheren Temperaturen ist analog zur (1-102) Oberfläche ein c(2x2) Muster zu erkennen.

In the course of this diploma thesis, ordered reconstruction phases on the 4H-SiC(1-102) surface and its isomorphic opposite, the 4H-SiC(-110-2) surface, have been investigated with surface sensitive analysis techniques. Since they are diagonal cut surfaces with respect to the basal plane, they exhibit the large periodicity of the atomic configuration, which might result in intrinsic nanostructuring on these surfaces in the range of nanometers. LEED reveals an initially bulk truncated (1x1) periodic structure. After Si deposition and annealing at different substrate temperatures, several reconstruction phases develop:<br />first with a (2x1) phase, at higher temperatures with a c(2x2) LEED pattern, and a (1x1) pattern again, eventually. For the (2x1) phase, STM micrographs show that well ordered, linear and equidistant adatom chains develop on flat surface terraces, which consist of additional Si.<br />Experiments with PES and ARPES reveal the existence of a surface state with a small dispersion in the direction of these chains, whereas no dispersion could be observed in the perpendicular direction. This suggests a one-dimensional electronic structure localized in the atomic chains. While for the c(2x2) phase a surface composition close to the bulk stoichiometry is indicated by AES, further Si depletion is observed for the (1x1) phase, resulting in a C-rich surface. LEED measurements of the (-110-2) surface show a (1x2) pattern after Si-deposition and annealing. At higher temperatures, a c(2x2) pattern develops.