Interaction of atomic hydrogen with GaAs(110) surfaces: adsorption, defect generation, facetation, and cleaning
Creators: name: Rosenzweig, Dorothee Sophie
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
subject: hydrogen cleaning process
subject: scanning tunneling microscopy
subject: III-V semiconductor surfaces
subject: scanning tunneling spectroscopy
subject: GaAs(110) surfaces
subject: defect generation

description: The commonly used method of hydrogen cleaning of III-V nanowire side facets is investigated by atomically resolved scanning tunneling microscopy and spectroscopy. For a fundamental approach, the initial stages of hydrogen adsorption on GaAs(110) surfaces are investigated ad room temperature, in order to achieve an understanding of the morphological and electronic changes induced on an atomic level. Two effects are demonstrated to manifest simultaneously, rather than subsequently with hydrogen exposure: A phase separation between fully hydrogen covered areas and hydrogen free areas occurs. The fully hydrogen covered areas are characterized by hydrogen equally bonding to As- and Ga- derived dangling bonds, passivating the surface area. Additionally, upon hydrogen exposure, hydrogen induced point defects are generated in both areas with increasing density. These kinds of newly reported point defects are classified using a defect-molecule model. They are suggested to be at the origin of the observed Fermi level pinning 0:25 eV to 0:30 eV above the valence band edge for n- and p-doped GaAs(110) surfaces. The temperatures used for hydrogen cleaning are observed to be too low without simultaneous hydrogen exposure in order to achieve the changes observed upon hydrogen cleaning. At 400 ± 20 ◦C, no changes or desorption of material can be validated. However, upon simultaneous hydrogen exposure,a layer-by-layer etching of the GaAs(110) surfaces is observed. At n-doped surfaces, the layer-by-layer etching removes islands and forms preferentially Ga terminated step edges with [001] normal vector. Additionally, a large density of Ga vacancies formed on the newly exhibited surfaces is observed. Their charge transfer level is in line with the interpretation that no further Ga adatoms remain at the hydrogen cleaned surfaces, suggesting a preferential bonding of hydrogen atoms to Ga adatoms and subsequent Ga-H desorption. At p-doped surfaces, the layer-by-layer etching not only takes place at step edges, but also at defects such as As vacancies forming laterally growing vacancy clusters (pits) with increasing hydrogen exposure and simultaneous annealing. Therefore, a preferential etching of the twofold coordinated Ga atoms is concluded corroborating the conclusion drawn for n-doped surfaces. Hence, surfaces achieved by hydrogen cleaning do reveal morphological and electronic properties of etched surfaces rather than of cleavage surfaces. These results imply that the morphological and electronic properties of III-V nanowire sidewall facets obtained by hydrogen cleaning are those of etched surfaces rather than the initial growth surfaces.
description: Die üblicherweise verwendete Methode der Wasserstoffreinigung von III-V-Nanodraht-Seitenflächen wird mittels atomar aufgelöster Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersucht. Für einen grundlegenden Ansatz werden die Anfangsstadien der Wasserstoffadsorption auf GaAs(110)-Oberflächen bei Raumtemperatur untersucht, um ein Verständnis für die morphologischen und elektronischen Veränderungen auf atomarer Ebene zu erlangen. Es konnte gezeigt werden, dass sich zwei Effekte gleichzeitig und nicht nacheinander mit der Wasserstoffeinwirkung manifestieren: Es kommt zu einer Phasentrennung zwischen vollständig wasserstoffbedeckten und wasserstofffreien Bereichen. Die vollständig mit Wasserstoff bedeckten Bereiche sind dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff gleichmäßig an die von As und Ga abgeleiteten hängenden Bindungen gebunden ist und die Oberfläche passiviert. Darüber hinaus werden unter Wasserstoffeinwirkung in beiden Bereichen wasserstoffinduzierte Punktdefekte mit zunehmender Dichte erzeugt. Diese neu entdeckten Punktdefekte werden anhand eines Defektmolekülmodells klassifiziert. Es wird geschlussfolgert, dass sie die Ursache für das beobachtete Anheften des Fermi-Niveaus 0:25 eV bis 0:30 eV oberhalb der Valenzbandkante für n- und p-dotierte GaAs(110)-Oberflächen sind. Es wurde ferner festgestellt, dass die für die Wasserstoffreinigung verwendeten Temperaturen in Abwesenheit von Wasserstoff zu niedrig sind, um die bei der Wasserstoffreinigung beobachteten Veränderungen zu erreichen. Bei 400 ± 20 ◦C können keine Veränderungen oder Desorption von Material nachgewiesen werden. Bei gleichzeitiger Wasserstoffexposition wird jedoch ein schichtweises Ätzen der GaAs(110)-Oberflächen beobachtet. Auf n-dotierten Oberflächen entfernt das schichtweise Ätzen Inseln und bildet bevorzugt Ga-terminierte Stufenkanten mit [001]-Normalenvektor. Darüber hinaus wird eine große Dichte von Ga-Fehlstellen auf den neu entstandenen Oberflächen beobachtet. Ihr Ladungstransferniveau stimmt mit der Interpretation überein, dass an den wasserstoffgereinigten Oberflächen keine weiteren Ga-Adatome verbleiben, was auf eine bevorzugte Bindung von Wasserstoffatomen an Ga-Adatome und anschließende Ga-H-Desorption hindeutet. An p-dotierten Oberflächen findet das schichtweise Ätzen nicht nur an Stufenkanten statt, sondern auch an Defekten wie As-Fehlstellen, die mit zunehmender Wasserstoffexposition und gleichzeitigem Heizen lateral wachsende Fehlstellen-Inseln bilden. Daraus wird auf ein bevorzugtes Ätzen der zweifach koordinierten Ga-Atome geschlossen, was die Schlussfolgerung für n-dotierte Oberflächen bestätigt. Die durch Wasserstoffreinigung erzielten Oberflächen weisen also eher die morphologischen und elektronischen Eigenschaften von geätzten Oberflächen als von Spaltflächen auf. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die morphologischen und elektronischen Eigenschaften der Seitenfacetten von III-V-Nanodrähten, die durch Wasserstoffreinigung erzeugt wurden, eher denen von geätzten Oberflächen als denen der ursprünglichen Wachstumsflächen entsprechen.