Diffusion und Interdiffusion in der Synthese des Halbleiters Nanostructures

durch Professor Federico Rosei

Fulvio Ratto, Istituto di Fisica Applicata „Nello Carrara“ und Professor Federico Rosei, Institut National de la Recherche Scientifique
Entsprechender Autor: rosei@emt.inrs.ca

Halbleiter nanostructures sind weitgehend in den letzten zwei Jahrzehnten studiert worden. Unter richtigen Prozessbedingungen resultiert die Fälschung von heterogenen Kreuzungen zwischen verschiedenen Halbleitermaterialien in dreidimensionale nanostructures mit seitlichen Abmessungen in der nm-der Länge 1-100 Schuppe. Ein bemerkenswertes Beispiel ist der Kasten von Halbleitern der Gruppe IV wie Silikon (Si) und Germanium (Ge).

Die Absetzung von GE auf einer Sisubstratfläche gerade einige Atomschichten, die stark sind, verursacht Selbsteinteilung eines nanostructure mit hoher Schreibdichte mit den körperlichen und chemischen Eigenschaften, die von ihrer benachbarten Umgebung verschieden sind. Zum Beispiel ist ein eigenartiges Merkmal ihres elektrischen Verhaltens die Fähigkeit, getrennte Mengen der gegenüberliegenden Ladung einzuschließen (Elektronen und Elektronlöcher), ähnlich dem Kasten von natürlichen Atomen. Infolgedessen gekennzeichnet diese nanostructures häufig, als „Quantum“ (QDs) und „künstliche Atome“ punktiert. Ebenso verursachen möglicherweise gegenseitige Interaktionen innerhalb der Funktionsarchitektur von QDs die künstlichen Entsprechungen von Molekülen und von Kristallen und führen zu eine Tonleiter von neuen Gelegenheiten.

Die möglichen Anwendungen von QDs sind enorm. Technologische Bereiche, in denen der Gebrauch möglicherweise QDs die höchste Auswirkung ausübt, umfassen Lasertechnologien der lichtemittierenden Diode (LED) und, einzelne Photonquellen, neue Transistoren, zelluläre Automaten und Quantumscomputer, hoch entwickelte Katalysatoren, photo-voltaische Einheiten, die Umwelt- und biomedizinischen Diagnosen, Darstellung und Therapeutik, Insbesondere biosensing, Usw., die Entwicklung von den Prozessen, die mit Silikontechnologie kompatibel sind, anhält Potenzial für unmittelbare Integration von QDs in den hochmodernen Halbleiterfälschungsprozessen.

Die Fälschung von Germanium/Silikon nanostructures unter Verwendung des bottom-up-Anfluges konnte eine lebensfähige Option werden, zum von Reihen von Epitaxial- gewachsenem QDs zu verwirklichen. Das prototypische Experiment besteht mit.einbezieht die langsame Absetzung von Germaniumatomen auf einer Silikonsubstratfläche (z.B. zerlegt von den monatomic Schichten pro Sekunde) in Bruchteile, die möglicherweise durch eine Vielzahl von den chemischen und körperlichen Methoden verwirklicht wird, die beim Halbleiteraufbereiten bereits gebräuchlich sind.

An den hohen Temperaturen wiederholen GE-Atome die Kristallgittergeometrie der Sisubstratfläche, wegen der Ähnlichkeiten zwischen diesen Elementen. Gleichwohl der Gitterparameter von GE ungefähr 4% ist, das des Si größer als das ist, das übermäßige Spannungsaufspeicherung an der heterogenen Schnittstelle verursacht.

Über einer bestimmten Stärke hinaus intervenieren spontane Vorrichtungen, um teilweises Entspannung dieser Spannung durchzuführen. Eine dieser Vorrichtungen ist die Schaffung von Rauheit, die schließlich zu das Auftauchen von dreidimensionalen nanostructures führt. Andere Vorrichtungen umfassen die Kernbildung von Nichtpassenversetzungen und das Vermischen von GE- und Siatomen, das die effektive Gitternichtübereinstimmung an der Schnittstelle verringert. Das geometrische, die Spannung und das elementare Profil innerhalb und um der dreidimensionalen nanostructures regelt grundlegende Eigenschaften von diesen QDs.

Während das allgemeine Konzept am Ursprung der Selbsteinteilung von Halbleiter nanostructures eine thermodynamische Instabilität ist-, seit einigen Jahren ist ein neues Paradigma vorgeschlagen worden, das eine Führungsrolle von kinetischen Parametern und von Energiesperren gegen Atomdiffusion anspricht. Thermodynamische Stabilität, die eins der überall vorhandensten Konzepte in der Physik ist, erklärt nicht einige körperliche und chemische Eigenschaften, die unter typischen experimentellen Bedingungen beobachtet werden und umfaßt z.B. Spannung und elementare Profile. 2

Um thermodynamische Stabilität zu erzielen sollte alles Material innerhalb und um der dreidimensionalen nanostructures enorme Neuordnungen und große Vielzahl wettbewerbsfähige Konfigurationen stützen. Jedoch wird dieses durch Energiesperren gegen Atomdiffusion und Austausch versperrt. Unter typischen experimentellen Bedingungen gibt es einen großen Abgleichfehler zwischen der Wahrscheinlichkeit der Oberflächendiffusion und der Massendiffusion.2

In der Praxis prüft Oberflächendiffusion extrem schnelles und wird im Wesentlichen durch Brownische Bewegung (gelegentliche Bewegung) geregelt und nur verwiesen teilweise durch die thermodynamische Landschaft der Oberfläche.

Demgegenüber ist Massendiffusion geringfügig, werden d.h. Atome unterhalb der obersten Atomschicht eingefroren, sobald bedeckt durch neue Atome. Außerdem, wenn Temperatur bald nach Absetzung, die Gesamtkonfiguration der Probe gelöscht wird, die z.B. Größen- und Formstatistiken enthält, Spannung und elementare Profil- und gegenseitigetrennungen des QDs kann beträchtliche Entwicklung nicht durchmachen, die die höchste Bedeutung zu den dynamischen Prozessen gibt, die während des Wachstums verwirklicht werden.

Ein wichtiges Merkmal, das früh im Absetzungsprozeß definiert wird, ist die gegenseitigen Stellungen der resultierenden dreidimensionalen nanostructures. Die Wahrscheinlichkeit von Kernbildung eines einzelnen nanostructure erhöht mit der lokalen Konzentration von erhältlichen Atomen, deren Diffusion und das Bündeln möglicherweise stabile Kerne erzeugt.

Diese Wahrscheinlichkeit fällt plötzlich ab, sobald ein Kern scheint und anfängt, durch Erfassung von den nahe gelegenen Atomen zu vergrößern, die im Wesentlichen durch Brownische Bewegung getrieben werden.3 Dieses erklärt, warum Kerne neigen, einen bestimmten Abstand getrennt zu halten, der mit der Atomoberflächendiffusionslänge aufeinander bezieht.4 Oberflächendiffusion vermittelt auch nanostructure Wachstum, Größe und Form durch Erfassung von beweglichen Atomen.3

Unter der einfachsten Annahme der Brownischen Bewegung, ist dieses ein intuitiver Konkurrenzprozess zwischen gleichzeitigen nanostructures, hingegen je genauer ihre gegenseitige kleinere Näherung desto ihre relative Größe.4 Die Wechselbeziehung zwischen Größe und Form ist ein festes Konzept.1 Schließlich bestimmt Oberflächendiffusion das elementare Profil innerhalb der nanostructures, deren allgemeine Merkmale möglicherweise im Hinblick auf Brownische Bewegung noch einmal erklärt werden, die unterschiedliche Mobilität des Germaniums und des Silikons und seine Abhängigkeit auf Temperatur.2

Bei den mäßigen Temperaturen zum Beispiel (sagen Sie ungefähr 500 Celsius), ist die Mobilität des Germaniums viel höher als die des Silikons, das Siatome veranlaßt, an nanostructure Rändern und Umkreisen zu akkumulieren, 5,6 während thermodynamische Stabilität das Gegenteil, d.h. reiche Kerne des Si und GE-Reiche Peripherien benötigen würde.

Während sie allzu sehr vereinfacht wird, ist die Abbildung, die oben beschrieben wird, ein angemessener Anfang, zum von einzelnen und Kollektiveigenschaften von Halbleiter nanostructures zu verstehen, wie in den experimentellen Daten beobachtet. Eine Vielzahl von zusätzlichen thermodynamischen Bauteilen, z.B. Spannungsinteraktionen zwischen nanostructures und Substratfläche, zwischen gleichzeitigen nanostructures und innerhalb der einzelnen nanostructures umfassend, verursacht möglicherweise effektive Störungen in der Definition von bevorzugten Kernbildungssites, in der Übertragung der Masse und der Modulation der Größe und der Form (sehen Sie z.B. Ostwald zu reifen, der das Wachstum von großem über kleinen nanostructures fördert) und im Austausch von Germanium- und Silikonatomen.

Werden möglicherweise verbreitungsfähige Dynamik und zusätzliche thermodynamische Bauteile durch Integration von geeigneten top-down Interventionen moduliert, die möglicherweise werden in Uebereinstimmung mit dem spontanen Verhalten konstruiert werden und eingeführt, das oben beschrieben wird, das nicht unterdrückt werden kann. Dieses ist ein hybrider Anflug, zum von Halbleiter nanostructures mit erhöhter Regelung über ihrer Stellung, Größe, Form und elementaren Zusammensetzung zu erzielen.

In diesem Zusammenhang ist der Begriff von „Oberflächenmarken“ ein starkes Konzept, 7 hingegen eine einleitende Modifikation der Substratfläche die kinetische und thermodynamische Landschaft an der Oberfläche, so leitenden an der Aufnahme und an der Diffusion von Atomen und von Molekülen ändert. Beispiele von „Oberflächenmarken“ sind möglicherweise Reihen Schritte, 8 Versetzungen und Chemikalie Inhomogeneities, die auf die Silikonsubstratfläche vor Germaniumabsetzung eingeführt werden.

Als schlußfolgerung seit einigen Jahren hat es beträchtlichen Fortschritt im grundlegenden Verständnis gegeben und Fälschung von QDs basierte auf Halbleiter nanostructures. Während es noch viele entscheidenden Fragen voran gibt, stellt das Potenzial für radikale Innovation hinter diesen Konzepten starke Motivation für zukünftige Untersuchungen von Halbleiter nanostructures zur Verfügung.


Bezüge

1. F. Rosei, J. Phys.: Cond. Matt. 16, S1373 (2004).
2. F. Ratto, G. Costantini, A. Rastelli, O.G. Schmidt, K. Kern, F. Rosei, J. Exp. Nanosci. 1, 279 (2006).
3. M. Fanfoni, M. Tomellini, J. Phys.: Cond. Matt. 17, 571 (2005).
4. F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S.K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei, Phys. Rev. Lett. 96, 096103 (2006).
5. G. Katsaros, G. Costantini, M. Stoffel, R. Esteban, A.M. Bittner, A. Rastelli, U. Denker, O.G. Schmidt, K. Kern, Phys. Rev. B 72, 195320 (2005).
6. F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S.K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei, Kleine 2, 401 (2006).
7. F. Cicoira, F. Rosei, Brandung. Sci. 600, 1 (2006).
8. A. Sgarlata, P.D. Szkutnik, A. Balzarotti, N. Motta, F. Rosei, Appl. Phys. Lett. 83, 4002 (2003).

Copyright AZoNano.com, Professor Federico Rosei (Université du Québec)

Date Added: May 10, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 01:24

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