8.5. ELEMENTEL YARIİLETKENLERİN YÜZEYLERİ

 

Silikon ve Germanyum benzer elmas yapıya sahiptir. Elmas yapının uzay örgüsü fcc olup, ilkel olmayan bu fcc örgü 000 ve ¼ ¼ ¼  te iki atomlu bir baz içerir. elmas yapıdaki atomlar tetrahedral olarak yerleşmişlerdir. Her atom 4 en yakın komşuya sahiptir. Si için örgü parametresi 5,43 A ve Ge için 5,65 A dur.

 

8.5.1. Si(100)

 

            Her atomun iki asıl yüzey atomuyla bağlı ve iki dangling bağına sahip ideal Si(100) bulk yüzeyi, üstteki Si atomlarının bir kare örgüsünü içerir (Şekil 8.12a). Si(100) yüzeyi yeniden yapılanırken yüzey atomları dimerler halinde çiftlenirler, böylece dangling bağlarının sayısı yarıya iner (Şekil 8.12b). Dimerler dizilere (row) yayılırlar ve yüzey 2x1 periyodisiteye sahip olur. LEED ile açığa çıkarılan Si(100) yüzeyinin 2x1 periyodisitesindeki dimer yapısı 1959 da Schlier ve Farnsworth’ un çalışmaları sonucu öne sürülmüştür.

 

 

 

 

 

Şekil 8.12. a) ideal yeniden yapılanmamış Si(100) 1x1 yüzeyinin şematik diyagramı

      b) Yeniden yapılanmış bir Si(100) 2x1 yüzeyinin şematik diyagramı. En üstteki Si  

      atomları kırılır ve yüzey yeni bir uyuma gider.

 

            Dimer dizileri, şekil 8.13 de görülen STM fotoğrafıyla net olarak anlaşılmıştır. Dolgulu resimde (filled-state) dimerler dikdörtgen çıkıntılar gibi görülmektedir ve çıkıntı etrafındaki çiftler ise resimdeki boşluklardır (empty-state). STM de görülen bir çok dimerin simetrik olmasına rağmen, aslında onların 18⁰ eğik olduğu ispatlanmıştır. Üstelik, geometrik bükülme, düşük atomdan yüksek atoma elektronik yük transferiyle çiftlenir. Oda sıcaklığında dimerler iki mümkün durum arasında harektlice dönerler. Eğik dimerlerin flip-flop hareketi rastgeledir ve bu hareket STM in ölçüm zamanından daha kısa bir sürede oluşur. Böylece STM fotoğrafında dimerlerin ortalama bir zamandaki konumları gözüktüğünden asimetrik dimerler simetrikmiş gibi gözükür. Bununla beraber, görülen dimer bükülmeleri diziler boyunca sabit, kararlıdır ve bazı yüzey kusurlarının yakınındadır. Bu diziler STM resmindeki dolu durumlarda zigzag zinciri şeklinde görülmektedir.

 

             

 

 

Şekil 8.13. Si (100) 2x1 yüzeyinin dolu seviye STM resmi. Dual polaritede elde edilmiş dimer dizi yapılarının yüksek çözünürlüklü STM resminin bir inset görünümü verilmiştir. Bu şekil 2x1 periyodik birimin (ünitenin) taslağıdır.       

 

Şekil 8.14. a)Komşu dimerlerin bükülmesinin düzeltilmiş Si (100) C(4x2) yapının şematik diyagramı. Bükülmüş dimerlerin upper ve lower atomları, sırasıyla koyu gri ve açık gri dairelerle gösterilmiştir.

b) 63 K’ e kadar soğutulmuş Si (100) C(4x2) yüzeylerinin dolu seviye STM resmi gösterilmiştir.

 

Eğer Si(100) yüzeyi 20 K e kadar soğutulursa, dimer dönmeleri durur ve STM resminde görülen eğik dimerlerin sayısı çok artar. Bir antisimetrik yapı içindeki bükülmüş dimer dizisi ile komşu dimerlerin etkileşmesi sonucu dimerler karşıt (zıt) doğrultuda bükülmeye başlar. Bu yapı c(4x2) periyodiye sahip olur (şekil 8.14) ve atomik olarak temiz Si (100) yüzeyinin temel seviye yapısı kadar önemlidir. Atomik olarak temiz Ge (100) yüzeyi de c(4x2) yeniden yapılanmasında düşük sıcaklıklarda düzenlenmiş dimerlerin bükülmesiyle oluşur (Tablo 8.2).

 

Tablo 8.2. Elementel yarıiletkenler için bulk ve (100) dimer yeniden yapılanmasının yüzey yapı parametreleri. a₀ örgü sabiti, a şekil 8.12 de görülen bağ uzunluğudur.

 

 

 

 

8.5.2. Si (111)

 

            Atomik temiz Si (111) yüzeyi, 2x1 ve 7x7 olmak üzere iki asıl yeniden yapılanma içerir. Buna rağmen bazı 7x7 benzeri yeniden yapılanmalar uygun duruma hazırlık olabilir. 2x1 yüzey yapısı (111) düzlemi boyunca si kristali yarılabilir. 2x1 yapısı yaklaşık 400 C nin üstündeki sıcaklıklarda metastable (durgun) olabilir ve 7x7 yeniden yapılanmasına dönüşebilir. Düzen-düzensizliğe bağlı olarak 1x1 yapısına geçerken, yaklaşık 850 C nin üzerindeki sıcaklıklarda 7x7 yeniden yapılanması durağandır. Bu geçiş tersinirdir ve düşük sıcaklıklarda geçiş sıcaklık bölgesi 7x7 yeniden yapılanması tekrar düzenlenir.

 

Si (111) 2x1 :

 

Geçerli Si (2x1) yüzey yarılmalı yapı modeli yerine p bağlı zincir modeli kullanılmıştır. p bağlı zincir modeli, Pandey tarafından önerilmiştir. Sonuçta birinci ve ikinci Si atomlarının üstündeki tabaka değişken zigzag zinciri halini alır. Daha üst zincirdeki Si atomları her biri diğeriyle p bağıyla bağlanır ve atomların  aşağı ve yukarı doğru değişimleri p bağlı zincirlerin görünümünde bükülmeye sebep olur. Pandey’ in p bağlı zincir modeli, Ge (111) 2x1 ayrılma yüzeyi için tanımlandığında da geçerli olur.

 

Si (111) 7x7 :

 

            Si (111) 7x7 yapı için söylenebilecek, alışık olunan ve büyüleyici bir yeniden yapılanmış yüzeye sahip olabileceğidir, bundan başka canlı canlı örneklerin nasıl toparlanıp sonuçlanacağıdır. Birçok araştırma grubunun çabaları sonunda kesin şeklini almıştır.

 

p bağlı zincirlerdeki Si atomlarının şekli koyu gri dairelerle gösterilmiştir. Beş veya altılı halka yandan gösterilmiştir. Birbirine geçmiş yüzey birimleri (üniteleri) ana hatlarıyla şekillendirilmiştir.

 

 

 

Şekil 8.15 : a) Yeniden yapılanmış ideal Si (111) 1x1 yüzeyin şematik diyagramı. Sırasıyla, tabaka üstündeki birinci, ikinci ve üçüncü Sİ atomları koyu gri, açık gri ve beyaz daireler şeklinde gösterilmiştir. Birinci ve ikinci tabaka atomları Si (111) double tabakasını oluştururlar. Altılı halka yandan gösterilmiştir.

b) Pandey’ in Si (111) 2x1 yeniden yapılanması için önerdiği p bağlı zincir modeli, vakumda uygundur.

 

           

Si (111) 7x7 nin ilk LEED gözlemi 1959 lardan sonra gözlendi, fakat 1985 te Takayanagi ve diğerlerinin ünlü dimer-adatom-satcking fault (DAS) yeniden yapılanma modeli 25 yıllık yüzey bilimleri topluluğunun araştırmaları sonucu oluşturulmuştur. Outher most tabakasındaki adatomlarının kavramları Harrison tarafından önerilmiştir. LEED ve RBS verileri yüzey tabakalarında bir kusur yığınının bulunduğunu  gösterir. Binnig ve   diğerlerinin  ilk  önce buldukları 7x7 yüzeylerinin STM resmi köşelerde derin bir boşluk (Deşik, hole) gösterir ve birim hücre başına 12 çıkıntı içerir. bu temel gözlemlerin temeli, Himpsel ve McRae’ nin daha önceden bildirdiği kusurlu ve kusursuz trigonal temel birimler içeren dimerler ve derin boşlukların düzenlenmesine bağlıdır. Sonuç olarak, Takayanagi ve diğerleri TED (Şekil 8.17) kullanılarak dimerler, adatomlar ve kusurlar bir model oluşturmuşlardır. 

 

            Şekil 8.18 Si (111) 7x7 yapının DAS modelleri göstermektedir. Modelin temel özellikleri, her birim hücre aşağıdakilerden oluşur.

 

a)12 adaoms

b)Bir kusur yığınının iki üçgen temel birimi

c)Subunits üçgen kenarındaki birim hücre başına 9 dimer

d)Bir derin köşe boşluk

 

Şekil 8.16: Si (111) 7x7 yüzeyinin 200x200 A²  lik bölgesinin

+1,6 V gerilimde (empty states)

-1,6 V gerilimde (filled states) elde edilmiş STM resmi. Parlak daireler Si atomlarına uyar, koyu daireler köşelerdeki boşlukları azaltır. Dolu seviye resminden bir kere,  hata birimleri parlak görünümleri yarıya indirir.

 

 

 

Şekil 8.17 : Yeniden yapılanmış Si (111) 7x7 yüzeyinden, yüzey normaline paralel uyarılmış elektron demetiyle hegzagonal bölgeler, değişik pozlu filmlerle geçirmeli elektron difraksiyon deseni (TED) ile yeniden alınmıştır. 

 

 

Şekil 8.18 : 7x7 dimer-adatom-hata yığınları (DAS) modelinin üstten ve yandan görünüşünü gösteren şematik diyagram. Adatomlar gri dairelerle, iç (derin) tabakların atomları, derinlikle boyutu küçülen beyaz dairelerle gösterilmiştir. Dangling bond durgun atomları çapraz çevreleyen dairelerle gösterilmiştir. Ana yapı bileşenleri (köşe boşlukları, durgun atomlar, dimerler, adatom) ve atomik tabaka sayıları gösterir.

 

            Adatomların doldurduğu T₄ yerleri ikinci tabakanın üstündedir ve yerel 2x2 yapısındadır. İkinci ve üçüncü tabakaların birleşmesiyle oluşmuş Si (111) double yapısı üçgen temel birimleri oluşturur. Temel birimler (subunites) değişken kusurludur ve bulk içine gidildikçe kusursuzlaşır ve dimer çizgileri boyunca bağlanırlar. Hücrenin köşelerinde, bir köşe boşluğunun (hole) etrafında 12 atomlu bir bir atom halkası bulunur. 42 birinci tabaka atomlarının 36 sı adatomlara bağlanır ve onların dangling bağlarını doyururlar (doldururlar). Dangling bağından arta kalan 6 atom ise rest (durgun) atom olarak adlandırılır. Birim hücre başına toplam 19 dangling bağ içeren 7x7 DAS yapısı, adatomların 12 tanesini, 6 tane de rest atom ve bir de köşe boşluğu (hole) içerir. İdeal bir bulk yapısına benzemesi için 7x7 yapının 49 dangling bağ içermesi gerekir.

 

            7x7 yapıya kıyasla, diğer (2n+1)x(2n+1) ailelerinde, 3x3, 5x5, 9x9, 11x11 v.b.       DAS yeniden yapılanmaları vardır (şekil 8.19). 7x7 DAS yeniden yapılanması diğerlerinden daha düşük enerjiye sahiptir. Sonraki yerleşmeler degesizdir, mesela 2x1 durumundan 7x7 hızlı geçişi, kusursuz epitaxy için önerilen düşük sıcaklıklarda Si epitaxiyel büyütmesinde veya 1x1 yapının yüksek sıcaklıklardaki ani yükselişlerinde.

 

Şekil 8.19 :  (2n+1)x(2n+1) ailesinin 3x3, 5x5, 7x7, 9x9 DAS yeniden yapılanma üyesi

 

8.5.3 Ge (111)

 

            Yarılmış (cleaved) Ge (111) yüzeyinin görünümünün 2x1 p bağlı zincir yapısı, yarılmış Si (111) 2x1 yüzeyininkine benzerdir. Benzer şekilde Si (111) 2x1, Ge (111) 2x1 yeniden yapılanması metastable (dugun) dur fakat şekil karşılaştırılmalarında yaklaşık 200 C nin üstündeki sıcaklıklarda değişik yapılara geçişi oldukça belirsizdir, Ge (111) c(2x8). İyi bir Ge (111) c(2x8) yapısı birkaç kez Ar+ iyonlarıyla sputtering ve annealing ile yapılır. Yaklaşık 300 C de  Ge (111) c(2x8) yapısı, 1x1 yapısına geçişteki düzensizliğe uğrar.

 

Ge (111) c(2x8). 

 

            Ge (111) c(2x8) in atomik yapısı, bulk yerleşmesine benzer Ge (111) 1x1 yüzeyinin T4 yerlerine Ge atomları yerleşmiş basit adatom model ile tanımlanır (şekil 8.20). c (2x8) periyodisite, 2x2 (hexagonal) ve c(2x4) (rectangular) temel ünitelerin değişimiyle oluşturulmuştur. Ge adatomları ideal yüzey dangling bağlarının ¾ ünü doldurur, boşalan dangling bağlarının ¼ ü ise doymaz. Dangling bağlarındaki yüzey atomlarından rest (durgun) atom olarak söz edilir.

Her c(2x8) ilkel biriminde 1x1 yerlerinde 8 atomla uyuşan toplam 4 dangling bağı vardır (2 adatom, 2 durgun atom). Adatomlar arasındaki yük transferi ve durgun atom transferi olur ki dolu seviyeler çoğunlukla durgun atomlar üzerinde, boş seviyeler ise adatomlar üzerinde lokalize olurlar. 2x2 deki durgun atomların çevresindeki farklılıklar ve c(2x4) temel birimi bizi onların görünümündeki asimetriye götürür: 2x2 temel ünitesindeki durgun atomlar artar (0,03 A) ve diğerlerindeki elektronlardan daha çok görünür.

 

 

Şekil 8.20 : Ge c(2x8) in atomik yapısının şematik diyagramı. Yapı gri dairelerle gösterilen Ge adatomlarıyla oluşturulur, bulk yapısına benzer yerleşmeye sahip Ge (111) 1x1 yüzeyi (beyaz dairelerle gösterilmiştir. Danglin bağlarının içerdiği durgun atomlar çarpıyla işaretlenmiştir) alternatif bir yığılım (a) hegxagonal 2x2 (b) rectangular c(2x4) temel birim ve (c) c(2x8) yapıdır.

 

 

8.6. III-V Birleşik Yarıiletkenlerin Yüzeyleri 

 

            Diğer ııı-v birleşik yarıiletkenlerine benzer olarak GaAs da zinc (çinko) blende yapısına sahiptir. Uzay örgüsü fcc olup temel iki atom içerir. bir Ga atomu 000 da ve bir As atomu ¼ ¼ ¼  dedir. Birim küp ilkel olmayan fcc dir.

 

 

 

 

 

8.6.1. GaAs (110)

 

            GaAs (110) kristal yüzeyi yarılma yüzeyidir. İdeal bir GaAs (110) yüzeyi (şekil 8.21a) galyum ve arsenik atomlarının değişken zigzag zincirini içerir. Her yüzey Ga ve As atomlarının değişken zigzag zincirini içerir. Her yüzey Ga(As) atomu komşu yüzey As (Ga) atomlarının zincirinde iki bağa sahiptir ve tabakanın altındaki bir As(Ga) atomu dangling bağından ayrılır. Bu GaAs(110) yüzeyinin yeniden yapılanmasında, Ga dan As atomlarına yük geçişi olur ve dolu durum yoğunluğu yüzey As atomları etrafında toplanır ve Ga atomlarının etrafı boş kalır (şekil 8.22). bu yük transferi şu yaklaşıma göre olur; As atomlarının yukarı ve Ga atomlarının aşağı yönlü hareketi sonucu korunumlu bağ uzunluğunun dönmesiyle oluşur(şekil 8.21b). Yeniden yapılanan yüzeyler ideal bir (1x1) periyodikliğini korurlar. Bu(110) yüzey yapılanması zinc blende yapısındaki bir ııı-v birleşik yarıiletken için materyalden bağımsız olarak tipik bir α=29±3 bükülme açısı oluştururlar (tablo 8.3).

 

Şekil 8.21. Atomik dağılımın şematik diyagramı (a) İdeal bir yeniden yapılanmamış GaAs (110) 1x1 yüzeyinin (b) Yeniden yapılanmış GaAs (110) 1x1 yüzeyinin vakumdaki yarılma yüzeyinin görünümü As atomları kapalı (hatched, koyu), Ga atomları ise açık dairelerle (open) gösterilmiştir.

 

8.6.2. GaAs (111) ve GaAs ()

 

            GaAs, ideal olarak sadece Ga veya As atomlarının yerleşmesiyle oluşmuş polar bir yüzeydir. Kabule göre, Ga yerleşmiş (111) yüzeyi GaAs (111) yüzeyini veya bazen GaAs (111) A yüzeyini temsil eder. Aynı şekilde, As yerleşmiş yüzey, GaAs () veya GaAs () B yüzeyi olarak adlandırılır. Böylece, <111> doğrultulu waferin bir yüzü GaAs (111) A düzlemine, diğer yüzü ise GaAs (111) B düzlemine sahiptir. Bu doğal bir sonuçtur, çünkü bir tabaka altında almaşık bir yüzey oluşturmak için bir bağ yerine üç bağ kırmak gerekir (şekil 8.23). Bu, 2x2 yeniden yapılanması GaAs(111) ve GaAs() yüzeylerini ortaya çıkarır, fakat bu yapılanmalar gerçekte farklıdır.

 

Şekil 8.22. GaAs (110) yüzeyinin sabit-akım STM resmi (a) +1,9 V (boş durumlar) ve (b) -1,9 (dolu durumlar) için (c) Yüzey atomlarının üstten görünüşü. Arsenik atomları kapalı dairelerle ve Ga atomları açık dairelerle gösterilmiştir. Her üç şekilde de benzer pozisyona sahip diktörtgen bir birim hücre içerir. böylece, boş seviyeler Ga atomları, dolu seviyeler ise As atomları etrafında yoğunlaşmaktadır.

 

Tablo 8.3. Zinc blende yapısındaki III-V birleşik yarıiletkenleri için bulk ve (110) yüzey yapısının parametreleri. a₀ bulk örgü sabiti, Δ_1,1 anyon ve katyon atomları arasındaki değişim yüksekliği, α ise şekil 8.21 de görülen bükülme açısıdır. Bükülme parametreleri, LEED I-V analizi kullanılarak hesaplanmıştır.

 

 

 

GaAs (111) 2x2.

 

            Atomik olarak temiz bir GaAs (111) yüzeyi, geleneksel olarak net bir 2x2 LEED deseni gözlenene kadar Ar iyon sputterring/annealing döngüsü tekrarlanarak hazırlanır. Ga yerleşmiş GaAs (111) yüzeyinin 2x2 yeniden yapılanması, her dört Ga yüzey atomunun dışındaki bir atomun kaybolduğu ve Ga tabakası ile asılyüzey As tabakası arasındaki boşluğun oldukça azaldığı düz bir atomik konfigürasyon oluşturan bir modelle tanımlanır (şekil 8.24).

 

Şekil 8.23. Yüzeyine Ga yerleşmiş (GaAs (111) veya GaAs (111) A denilen) <111> doğrultulu GaAs yaprağın bir yüzeyini ve As yerleşmiş (GaAs () veya GaAs (111) B denilen) diğer yüzeyini gösteren şematik diyagramı. Ga atomları açık dairelerle ve As atomları kapalı dairelerle gösterilmiştir.

 

 

Şekil 8.24. GaAs (111) 2x2 yüzey yapısının Ga-Vacancy modelinin şematik diyagramı. Ga atomları açık dairelerle, As atomları ise kapalı dairelerle gösterilmiştir. Yüzey atomlarının dangling bağları gösterilmiştir.  

 

 

 

            Bu yapılanma; Ga dangling bağlarından As dangling bağlarına elektronların geçerken kaybettiği enerji azalmasıyla açıklanabilir. İdeal bir GaAs (111) A bulk benzer yapı yüzeyinde, her bir Ga atomu yüzeyde bulunan 3 As atomuyla bağlanır ki enerjitik durum istenmeyen bir durumdur. Yüzeydeki Ga atomlarının yer değiştirmesi, üç Ga birleşik dangling bağı ve üç As birleşik dangling bağı oluşturur. Ga dangling bağlarından As dangling bağlarına elektronik yük transferiyle boş Ga dangling bağları ve dolu As dangling bağları, durgun bir yüzey oluşturur. Bu 2x2 yeniden yapılanması, zinc blende yapısındaki birleşik yarıiletkenlerin (mesela, GaP, GaSb, InSb) yüzeyleri, (111) A (ııı. Grup atomları yerleşmiş) için benzerdir.

GaAs () 2x2.

 

            GaAs () yüzeyinin 2x2 yeniden yapılanması, molecular beam epitaxy büyütülmesi sırasında ve sonrasında gelişir. Burada ki çelişki,  yapısının yüzey sonuçlarındaki eksikliktir. 2x2 yüzeyi, alt tabakadaki (şekil 8.25) Ga atomlarının üstüne doğrudan T4 yerlerine As trimerlerinin oluşmasıyla uyuşur. Trimerdeki her bir As atomu, diğer iki As trimer atomlarıyla ve birinci tabakadaki As atomuyla bağlanır. Trimerlerin şekli, 2x2 periyodisite ile dizilmiş bir hegzagonal yapıdadır. As trimerlere kıyasla, bir As durgun atomu 2x2 birim hücre içinde bulunur. Benzer trimer yapı InAs () ve InSb () yüzeylerinde bulunur.

 

Şekil 8.25. GaAs () 2x2 yüzey yapısının As trimer modelinin şematik gösterimi. Ga atomları açık dairelerle ve As atomları ise kapalı dairelerle gösterilmiştir.