Das TIBB bei STM Untersuchungen von GaAs{110} Spaltflächen hängt neben dem Krümmungsradi-us der STM Spitze auch von ihrer AKrümmungsradi-ustrittsarbeit
φ
T ab, die in der Regel nur näherungsweise durch dieMessung der lokalen effektiven Barrierenhöhe bestimmt werden kann (siehe Kapitel 3.3.1). Dies kann zu erheblichen Problemen bei der Interpretation von Messdaten führen, da von
φ
T unter anderem ab-hängt, ob es bei einer gegebenen Bias-Spannung zu einer positiven oder negativen Bandverbiegung kommt. Dies hat zur Folge, dass anhand der Bias-Spannung nicht mit Bestimmtheit festgestellt werden kann, welche Tunnelkanäle in welchem Umfang zu dem Tunnelstrom beitragen. Es ist daher üblich, derartige Informationen durch charakteristische Merkmale wie die in Kapitel 3.3 beschriebene Span-nungsabhängigkeit der atomaren Korrugation aus den Messdaten heraus zu rekonstruieren [130]. Bei den XSTM Messungen im Bereich der RLZ des Fe-GaAs(1¯10) Schottky-Kontakts ist zu beachten, dass sich die Bedingungen des Tunnelexperiments durch das elektrostatische Potential in der RLZ lokal verändern. Um die XSTM Daten richtig interpretieren und auswerten zu können, ist es daher erforderlich, die Tunnelbedingungen auch in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen STM Spitze und Metall-Halbleiter Grenzfläche zu charakterisieren.Am Ende des Kapitels wird gezeigt, dass die Ausdehnung des Bereichs, in dem veränderte Tun-nelbedingungen beobachtet werden, darüber hinaus erste Anhaltspunkte über die Weite der RLZ und die damit gemäß (1-5) zusammenhängende SBH des Systems beinhaltet.
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STMUm zunächst die lokale Variation der Tunnelbedingungen bei positiven Probenspannungen charakteri-sieren zu können, zeigt Abbildung 37 (a) im oberen Teil eine XSTM Topografie des Bereichs der RLZ.
Am rechten Rand der Topografie ist der Fe-Film zu erkennen. Die relative Spitzenhöhe ist farbkodiert dargestellt. Die Originaldaten wurden um die Verkippung der Probe relativ zum Koordinatensystem des STM Scanners korrigiert. Derart modifizierte Topografien werden im Folgenden als normierte Topografien bezeichnet. Die Verkippung resultiert sowohl aus dem Einbau der Probe in den Proben-halter als auch aus dem Einbau in den STM Scanner und wurde anhand von STM Topografien ermit-telt, die in einigen µm Entfernung von dem Metall-Halbleiter Übergang aufgenommen wurden, so dass ein Einfluss des Schottky-Kontakts ausgeschlossen werden kann.
Abbildung 37: (a) XSTM Topografie bei positiver Bias-Spannung ((40 x 25) nm2, UBias = 1,8 V, IT = 100 pA). Sowohl die RLZ als auch der angrenzende Metallfilm sind zu erkennen. Der untere Teil zeigt ein in x-Richtung verlaufenden Schnitt durch die Topografie im Bereich des GaAs Substrats, bei dem über alle Messpunkte in y-Richtung gemittelt wurde. (b) Schematische 1D-Bandmodelle des Tun-nelexperiments in der RLZ bei geringer werdenden Abständen (I – III) zum Metallfilm.
In der normierten Topografie in Abbildung 37 (a) verursacht die atomar glatt gespaltene GaAs(110) Oberfläche keinen strukturellen Kontrast. Bei der Verringerung der relativen Spitzenhöhe zur Grenz-fläche hin handelt sich daher ausschließlich um einen elektronischen Kontrast.18 Der unter der Topo-grafie gezeigte Schnitt macht deutlich, dass die relative Spitzenhöhe im Bereich der RLZ durchschnitt-lich um mehr als 1 Ångström abnimmt (der leichte Anstieg einige nm vor dem Fe-Film wird in Kapitel 7.1 ausführlich diskutiert). Dieser starke elektronische Kontrast kann wie folgt durch den Einfluss des elektrostatischen Potentials auf die Tunnelbedingungen in der RLZ erklärt werden kann:
• Anhand der IVCHAR Simulationen in Kapitel 3.3.2 wurde gezeigt, dass außerhalb der RLZ aus-schließlich leere Leitungsbandzustände zu dem Tunnelstrom beitragen (Bandschema I in Abbildung 37 (b)).
• In der RLZ werden die Bänder im Halbleiter durch das lokale elektrostatische Potential relativ zur Fermi-Energie um den Betrag
) (x
V
RLZ )( )
(
x eV
RLZx
RLZ =−
φ
affin verschoben.φ
RLZ(x
) nimmt mit geringer werdendem Abstand zum Metallfilm zu, so dass immer weniger unbesetzte Zustände der Probe zu dem Tunnelstrom beitragen können (Bandschema II und III in Abbildung 37 (b)).Um den Setzstrom der Konstantstromtopografie zu erreichen, muss die Spitze durch den Regel-kreis weiter an die Probenoberfläche angenähert werden, so dass die relative Spitzenhöhe bei posi-tiver Bias-Spannung umso geringer wird, je dichter sich die Spitze an dem Fe-Film befindet.
Durch den geringen Krümmungsradius der Spitze von nur 3 nm kann davon ausgegangen werden, dass die Oberflächenbandverbiegung φSBB(xSpitze) direkt unter dem Apex der Spitze, die sich aus
φ
TIBB und φRLZ(xSpitze) zusammensetzt, auch in der Nähe der Metall-Halbleiter Grenzfläche weniger als 1,4 eV beträgt. In Kapitel 7.1.2 wird dies durch 3D-Simulationen des TIBB verifiziert. Sie ist damit stets geringer als die fundamentale Bandlücke von GaAs bei RT, so dass bei der verwendeten Setz-spannung von 1,8 V im gesamten Bereich der RLZ ausschließlich die unbesetzten, an den Ga-Atomen lokalisierten C3- und C4-Zustände zum Tunnelstrom beitragen.
18 Auf die lokalisierten Erhebungen und Vertiefungen, die durch atomare Defekte verursacht werden, wird im Kapitel 6.4 detailliert eingegangen.
Abbildung 38: (a) XSTM Topografie bei negativer Bias-Spannung (selber Ausschnitt wie in Abbildung 37, UBias = -2,4 V, IT = 100 pA). (b) 1D-Bandmodelle des Tunnelexperiments.
Um auch die lokale Variation der Tunnelbedingungen bei negativen Probenspannungen untersuchen zu können, wurde der in Abbildung 37 (a) gezeigte Bereich der Probenoberfläche zusätzlich bei einer Bias-Spannung von -2,4 V abgebildet. Die entsprechende normierte XSTM Topografie ist in
Abbildung 38 (a) dargestellt. Auch bei der Abbildung mit negativer Bias-Spannung ist in der Topogra-fie ein ausgeprägter elektronischer Kontrast zu erkennen. Der Schnitt durch die TopograTopogra-fie macht deutlich, dass die relative Spitzenhöhe im Durchschnitt wie auch bei positiver Bias-Spannung zu-nächst mit geringer werdendem Abstand zum Fe-Film abnimmt. In einem Abstand von etwa 15 nm zum Fe-Film beginnt die Topografie allerdings wieder anzusteigen. Die Höhenvariation ist mit etwa 0,3 Ångström deutlich geringer als bei positiver Bias-Spannung. In den Kapiteln 3.3.1 und 3.3.2 wurde erläutert, dass bei negativer Probenspannung durch das TIBB sowohl besetzte Zustände aus dem Va-lenzband als auch besetzte Zustände aus der Akkumulationszone an der Oberfläche der GaAs(110) Spaltfläche zu dem Tunnelstrom beitragen können. Der topografische elektronische Kontrast in Abbildung 38 (a) kann dadurch erklärt werden, dass das relative Gewicht dieser beiden Anteile in der RLZ durch das lokale elektrostatische Potential verändert wird:
• Am Rand der RLZ überwiegt zunächst der Anteil aus den Zuständen der Akkumulationszone (Bandmodell I in Abbildung 38 (b)).
• Das Ansteigen von
φ
RLZ(x) bewirkt eine affine Verschiebung der Bänder, so dass das Energiein-tervall der besetzten Zustände im Leitungsband kleiner und das der besetzten Zustände im Valenz-band, die zu den Tunnelstrom beitragen können, um denselben Betrag größer wird (Bandmodell II in Abbildung 38 (b)). Da die Zustände der Akkumulationszone gemäß (2-8) einen höheren Trans-missionskoeffizienten besitzen nimmt der Anteil des Tunnelstroms aus der Akkumulationszone stärker ab, als der Anteil aus dem Valenzband zunimmt. Um den Setzstrom zu erreichen, muss der Tunnelabstand reduziert werden, so dass das steigende elektrostatische Potential in der RLZ an-fangs zu einer Verringerung der relativen Spitzenhöhe führt.• Erst wenn Zustände aus dem Valenzband den Tunnelstrom dominieren (Bandmodell III in
Abbildung 38 (b)) nimmt der Abstand zwischen Spitze und Probe aufgrund des größer werdenden Energieintervalls wieder zu.
Die Analyse des elektronischen Kontrasts zeigt, dass die atomare Korrugation bei negativen Bias-Spannungen am Rand der RLZ durch die an den Ga-Atomen lokalisierten Zustände bestimmt wird, wohingegen in der Nähe des Fe-Films die an den As-Atomen lokalisierten Zustände A4 und A5 den Tunnelstrom dominieren.
Neben der Bestimmung der Zustände, die bei den betrachteten Bias-Spannungen in Abhängigkeit von dem Abstand zur Metall-Halbleiter Grenzfläche zu dem Tunnelstrom beitragen, bieten die in Abbildung 37 und Abbildung 38 gezeigten Topografien erste Anhaltspunkte über die Weite der RLZ und die damit gemäß (1-5) zusammenhängende SBH des Systems. Es kann abgeschätzt werden, dass die Ausdehnung des Bereichs, in dem veränderte Tunnelbedingungen beobachtet werden, im Durchschnitt etwa 40 nm beträgt. Ohne den Effekt des TIBB entspräche dies der Weite der
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STMw
RLZRaumladungszone (siehe auch Kapitel 7.1.2.5). Da das TIBB wegen des geringen Krümmungsradius der Tunnelspitze nur schwach ausgeprägt ist (vergleiche Kapitel 3.3.1), kann davon ausgegangen wer-den, dass sich tatsächlich nur geringfügig von unterscheidet. Unter der Annahme, dass die durchschnittliche Weite der RLZ darüber hinaus nur unwesentlich durch die vereinzelt auftretenden Oberflächendefekte verändert wird, kann gemäß Relation (1-5) abgeschätzt werden, dass die mittlere SBH des untersuchten Fe-GaAs(1¯10) Schottky-Kontakts etwa 0.9 eV beträgt. Auf eine quantitativere Bestimmung der SBH, bei der sowohl der Einfluss lokaler Defekte als auch der des TIBB berücksich-tigt werden, wird in Kapitel 7.2 ausführlich eingegangen.
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STM6.4 Strukturelle Eigenschaften des Fe-GaAs(1¯10)