Chemical vapor deposition and physical characterization of gallium, and carbon-related structures on Si (001) and GaP/Si (001) templates for the growth of graphene layers

Ziel der Arbeit war die CVD Abscheidung von Graphen auf Si (001). Dazu wurde Ga auf Si (001) abgeschieden und anschließend C angeboten. Ga wird in der Halbleiterproduktion eingesetzt und sein katalytischer Effekt auf das Graphen Wachstum wurde gezeigt. Der Fokus der Arbeit lag auf der Untersuchung der Wachstumsoberfläche und der Abscheidung von Ga auf dieser. Zunächst wurde Si Substrat verwendet, wobei eine Durchmischung von Ga und Si festgestellt wurde. Daher wurde die Verwendung einer GaP Zwischenschicht untersucht. Dann wurde die Abscheidung von C auf mit Ga präpariertem Si und auf GaP/Si untersucht. Ga Abscheidung auf Si (001) wurde für die Ga Präkursoren TEGa und TMGa untersucht. Wegen der unterschiedlichen Zerlegungswege unterscheiden sich die Ergebnisse der Präkursoren. Für die untersuchten Bedingungen ätzt Ga in Si, wodurch pyramidale Strukturen entstehen. Oberhalb dieser formen sich Hügel. Die pyramidalen Strukturen sind durch Si {111} Kristallebenen begrenzt, was durch deren größere Stabilität begründbar ist. Für die Abscheidung von TMGa wurde eine Durchmischung von Ga und Si beobachtet, welche zum Wachstum von kristallinen Si Formationen an den Rändern der Ga-haltigen Strukturen führte. Um diese Durchmischung zu verhindern, wurde eine Zwischenschicht aus GaP auf dem Si aufgebracht. Dazu wurde die Stabilität von GaP bei hohen Temperaturen untersucht. GaP bleibt sowohl auf GaP (001) als auch auf Si (001) beim Ausheizen bei 50mbar ohne Stabilisierung bis zu Temperaturen von 800°C stabil. Ein Wachstum von qualitativ hochwertigem GaP auf Si ist durch Verwendung eines TBP Vorlaufs möglich. Die Abläufe an der Grenzfläche wurden hier analysiert. Die Verwendung einer ausreichenden TBP Menge führt für beide Ga Präkursoren zum Verschwinden der Ga Agglomerate. Bei 450°C ist die TBP Zerlegung ist nur in Anwesenheit eines Katalysators wie TEGa möglich. TMGa hat keinen katalytischen Effekt. Da bei TBP Vorlauf auch für TMGa keine Ga Strukturen entstehen, ist davon auszugehen, dass eine schützende TBP Schicht entsteht. Die TBP Moleküle ordnen sich bevorzugt in Reihen senkrecht zu den Si Dimerreihen an. Dies lässt sich vermutlich durch H-Fehlstellen erklären, die stabile Positionen auf neben liegenden Dimeren in der benachbarten Reihe eines gebundenen TBP Moleküls besitzen. Solche Fehlstellen dienen als bevorzugte Anlagerungsstelle für weitere TBP Moleküle. Auch auf GaP (001) und auf GaP auf Si (001) wurde die TEGa und TMGa Abscheidung untersucht. Auch hier ätzt Ga in das Substrat und es entstehen Hügel darüber. Für dünne GaP Schichten auf Si ätzt Ga durch das GaP und erreicht das Si wo pyramidale Strukturen entstehen. Für dicke GaP Schichten oder GaP Substrat entstehen Strukturen, deren Grenzflächen auf Kristallebenen mit höheren Indizes als {111} liegen. Die Eigenschaften der auf der GaP Oberfläche entstehenden Ga Strukturen ähnelt denen, die bei der Abscheidung von TMGa auf Si beobachtet wurden. Kein Unterschied wurde zwischen den mit TEGa und den mit TMGa abgeschiedene Strukturen festgestellt. Werden mit Ga vorbehandelten Proben bei 800°C ausgeheizt, so existiert kein Ga mehr an der Oberfläche. Ausheizen bei tieferen Temperaturen führte zu einer verstärkten Vermischung des Ga mit dem Substrat. Für Si wurde nach dem Ausheizen kein Ga mehr auf der Oberfläche gefunden, auf GaP war dieses noch vorhanden. Daher wurden nur Proben mit einer GaP Zwischenschicht mit C behandelt. Für die mit Ga vorbehandelten Proben führte eine Behandlung mit C zum Ätzten des ursprünglichen Gas. Dieses wurde für alle verwendeten C Präkursoren, TBEthylen, TBEthen und Benzen, beobachtet. Daher wurde die C Abscheidung auf GaP ohne Ga Abscheidung untersucht. Unter Verwendung des C Präkursors Ethen und des Trägergases H2 konnten kleine Mengen C aufgebracht werden. Unter Verwendung des Trägergases N2 konnten deutliche Mengen abgeschieden werden. Für keine der Proben konnten aber Raman Signale gefunden werden, die von geordnetem C ausgingen. Es ist davon auszugehen, dass keine C Schicht mit langreichweitiger Ordnung abgeschieden wurde. Die erfolgreichste Abscheidung von geordneten C Strukturen wurde durch ein Angebot von TBP bei hoher Temperatur erzielt. Hier wurden sowohl deutlich C Mengen durch SIMS, als auch Vibrationszustände von Graphen mittels Raman Spektroskopie detektiert. Zwar wurde bisher keine Graphen mit langreichweitiger Ordnung gefunden, für alle TBP Behandlungen bei hohen Temperaturen wurden aber C Schichten abgeschieden die sp2-Bindungen aufwiesen. Da keine sp2-Bindungen im TBP Molekül vorkommen müssen sie auf der Oberfläche entstehen. Dies stellt einen guten Ausgangspunkt für weitere Untersuchung zur Abscheidung von Graphen auf Si (001) dar.