Crystallographic and electronic structure of the InAs (001) surface passivated with sulphur

Abstract

W tej pracy została zbadana powierzchnia (001) arsenku indu, ważnego półprzewodnika grupy III-V, spasywowana poprzez adsorpcję atomów siarki w warunkach ultrawysokiej próżni.Na powierzchni (001) InAs mogą występować dwie rekonstrukcje: c(8x2)/(4x2) o terminacji indowej oraz c(2x8)/(2x4) o terminacji arsenowej. Aby zbadać wpływ powierzchni wyjściowej na proces pasywacji, badania dyfrakcyjne za pomocą techniki dyfrakcji elektronów niskiej energii (LEED) zostały przeprowadzone dla obydwu typów powierzchni, przygotowanych za pomocą preparatyki IBA (cykliczne przemiatanie wiązką jonową połączone z wygrzewaniem) oraz dodatkowo dla powierzchni o terminacji indowej przygotowanej za pomocą trawienia chemicznego.Przygotowane w ten sposób powierzchnie poddano procesowi pasywacji w podwyższonej temperaturze (270oC).Niezależnie od typu powierzchni wyjściowej bezpośrednio po naniesieniu siarki otrzymano słabo uporządkowaną rekonstrukcję powierzchni (1x1). Sukcesywne wygrzewanie w coraz wyższych temperaturach skutkowało pojawieniem się na powierzchni rekonstrukcji (2x1). Po kolejnych cyklach wygrzewania zaobserwowano wzrost uporządkowania powierzchni (2x1) aż do pewnej temperatury granicznej, wynoszącej 400oC dla powierzchni o terminacji indowej przygotowanej za pomocą preparatyki IBA oraz 440oC dla powierzchni indowej przygotowanej za pomocą trawienia chemicznego oraz dla powierzchni arsenowej przygotowanej za pomocą preparatyki IBA. Wygrzewanie powyżej temperatury granicznej skutkowało obniżeniem porządku krystalograficznego na powierzchni.Na powierzchni o terminacji indowej (niezależnie od sposobu preparatyki) po procesie pasywacji zaobserwowano jednowymiarowy nieporządek, objawiający, się rozmyciem refleksów dyfrakcyjnych w obrazach LEED wzdłuż kierunku [110]. Po wygrzaniu próbek powyżej temperatury krytycznej jednowymiarowy nieporządek zanikał. Jest to prawdopodobnie spowodowane porządkowaniem się jednostek strukturalnych na powierzchni, połączonym z desorpcją części atomów siarki.Dla powierzchni o terminacji indowej przygotowanej za pomocą trawienia chemicznego przeprowadzono również badania struktury elektronowej za pomocą techniki ARPES przed oraz po procesie pasywacji siarką. Na podstawie analizy porównawczej widm ARPES zmierzonych na różnych przecięciach przestrzeni odwrotnej powierzchni zidentyfikowano 5 pasm powierzchniowych na powierzchni czystej oraz 3 pasma powierzchniowe na powierzchni pokrytej warstwą siarki.We have studied the (001) surface of indium arsenide, an important III-V semiconductor, passivated by the adsorption of sulphur.On the clean (001) surface of InAs two surface reconstructions can form: In-terminated c(8x2)/(4x2) and As-terminated c(2x8)/(2x4). To study the influence of the substrate surface on the passivation process, we have performed low energy electron diffraction (LEED) studies on both In and As terminated surfaces, prepared in the ion bombardment annealing (IBA) process and additionally on the In-terminated surface prepared by the chemical etching in the 1M solution of HCL in the controlled nitrogen atmosphere.The surfaces were then subjected to the passivation process at the elevated temperature (270oC); surface exposition was equal to about 60L.Regardless of the type of the clean surface, immediately after the deposition of sulphur the reconstruction was found to be weakly ordered (1x1). Annealing in higher temperatures led to (2x1) reconstruction. The crystallographic order on the surface was improved by annealing the samples in the increasingly higher temperatures up to the certain critical temperature, which was found to be 400oC for In-terminated(IBA) surface and 440oC for As-terminated (IBA) and In-terminated (chemical etching) surface. Annealing above this temperature led to the decrease of crystallographic order.For In-terminated surfaces (regardless of the preparation procedure) after the passivation we have also observed a one-dimensional disorder, observed as the streaking of diffraction maxima in LEED patterns along [110] direction. After annealing above the critical temperature the disorder vanished; it is probably caused by the ordering of surface structural units, combined with the partial desorption of S atoms from the surface. We have also studied the electronic structure of the In-terminated surface prepared by the chemical etching by angle-resolved photoelectron spectroscopy. Measurements were carried out before and after surface passivation. Using comparative analysis of ARPES spectra measured along different intersections of the surface reciprocal space, we have identified 5 surface electronic bands on the In-terminated surface and 3 surface electronic bands on the surface after the passivation