Difusión e Interdiffusion en la Síntesis del Semiconductor Nanostructures

por Profesor Federico Rosei

Fulvio Ratto, Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara” y Profesor Federico Rosei, Institut National de la Recherche Scientifique
Autor Correspondiente: rosei@emt.inrs.ca

Los nanostructures del Semiconductor se han estudiado extensivamente durante las dos décadas pasadas. Bajo condiciones de tramitación apropiadas, la fabricación de uniones heterogéneas entre diversos materiales del semiconductor resulta en nanostructures tridimensionales con dimensiones laterales en la escala del nanómetro de longitud 1-100. Un ejemplo notable es la caja de semiconductores del Grupo IV tales como silicio (Si) y germanio (Ge).

La deposición de GE en un substrato del Si apenas algunas capas atómicas gruesas induce la organización del uno mismo de un nanostructure de alta densidad con las propiedades físicas y químicas diferentes a su ambiente vecino. Por ejemplo, un rasgo peculiar de su comportamiento eléctrico es la capacidad de atrapar cantidades discretas de carga opuesta (los electrones y los agujeros de electrón), semejantemente a la caja de átomos naturales. Como consecuencia, estos nanostructures se refieren a menudo como el “quantum puntea” (QDs) y los “átomos artificiales”. Asimismo, las acciones recíprocas mutuas dentro de configuraciones funcionales de QDs pueden dar lugar a los análogos artificiales de moléculas y de cristales, llevando a una gama de nuevas oportunidades.

Las aplicaciones potenciales de QDs son enormes. Los campos Tecnológicos donde el uso de QDs puede ejercer el más de alto impacto incluyen el diodo electroluminoso (LED) y las tecnologías láser, las únicas fuentes del fotón, los nuevos transistores, los autómatas y los ordenadores celulares del quantum, los catalizadores avanzados, los dispositivos fotovoltaicos, los diagnósticos ambientales y biomédicos, proyección de imagen y terapéutica, el biosensing, Etc. Particularmente, el revelado de los procesos compatibles con tecnología del silicio llevan a cabo el potencial para la integración inmediata de QDs en procesos avanzados de la fabricación del semiconductor.

La fabricación de los nanostructures del germanio/del silicio usando la aproximación ascendente podía convertirse en una opción viable para realizar matrices de QDs epitaxial crecido. El experimento prototípico consiste implica la deposición lenta de los átomos del germanio en un substrato de silicio (e.g fracciona de capas monatomic por segundo), que se puede observar por una variedad de substancia química y de métodos físicos ya funcionando en el tramitación del semiconductor.

En las temperaturas altas, los átomos de GE repliegan la geometría del cedazo cristalino del substrato del Si, debido a las semejanzas entre estos elementos. No Obstante el parámetro del cedazo de GE es el cerca de 4% más grande que el del Si, que causa la acumulación excesiva de la deformación en el interfaz heterogéneo.

Más Allá de cierto espesor, los mecanismos espontáneos intervienen para lograr la relajación parcial de esta deformación. Uno de estos mecanismos es la creación de la tosquedad, que lleva final a la aparición de nanostructures tridimensionales. Otros mecanismos incluyen la nucleación de las dislocaciones de la cosa mal encajada y la entremezcla de los átomos de GE y del Si, que reduce la discordancía efectiva del cedazo en el interfaz. El geométrico, la deformación y el perfil elemental dentro y alrededor de los nanostructures tridimensionales regula características fundamentales de estos QDs.

Mientras Que el concepto principal en el origen de la organización del uno mismo de los nanostructures del semiconductor es una inestabilidad termodinámica, durante últimos años se ha propuesto un paradigma nuevo, que refiere a un papel determinante de parámetros y de barreras de energía cinéticos contra la difusión atómica. La estabilidad Termodinámica, que es uno de los conceptos más ubicuos de la física, no explica varias propiedades físicas y químicas observadas bajo condiciones experimentales típicas, incluyendo e.g la deformación y perfiles elementales. 2

Para lograr estabilidad termodinámica todo el material dentro y alrededor de los nanostructures tridimensionales debe sostener los cambios masivos y la gran multitud de configuraciones competitivas. Sin Embargo esto es obstruida por las barreras de energía contra la difusión e intercambios atómicos. Bajo condiciones experimentales típicas, hay un desequilibrio grande entre la probabilidad de la difusión superficial y de la difusión del bulto.2

En la práctica, la difusión superficial prueba extremadamente rápido y esencialmente es regulada por el movimiento Browniano (movimiento al azar) y dirigida solamente parcialmente por el paisaje termodinámico de la superficie.

En cambio la difusión a granel es insignificante, es decir los átomos debajo de la capa atómica superior se congelan tan pronto como sean sobrepuestos por los nuevos átomos. Por Otra Parte cuando la temperatura se apaga pronto después de la deposición, la configuración total de la muestra que comprende estadísticas e.g de la talla y de la dimensión de una variable, deformación y las separaciones elementales del perfil y mutuas del QDs no puede experimentar la evolución importante, que da la importancia más alta a los procesos dinámicos observados durante incremento.

Una característica importante que se define temprano en el proceso de la deposición es las posiciones mutuas de los nanostructures tridimensionales resultantes. La probabilidad de la nucleación de un nanostructure individual aumenta con la concentración local de átomos disponibles, cuya difusión y el agrupamiento puede generar núcleos estables.

Esta probabilidad cae repentinamente tan pronto como un núcleo aparezca y comience aumentar por la captura de los átomos próximos esencialmente impulsados por el movimiento Browniano.3 Esto explica porqué los núcleos tienden a mantener cierta distancia separada, que correlaciona con la longitud de difusión superficial atómica.4 La difusión Superficial también media incremento, talla y dimensión de una variable del nanostructure por la captura de átomos movibles.3

Bajo suposición más simple del movimiento Browniano, esto es un proceso competitivo intuitivo entre los nanostructures coexistentes, por el que el más cercano su proximidad mutua el más pequeño su talla relativa.4 La correlación entre la talla y la dimensión de una variable es un concepto sólido.1 Finalmente, la difusión superficial determina el perfil elemental dentro de los nanostructures, cuyas características principales se pueden explicar en términos de movimiento Browniano de nuevo, la diversa movilidad del germanio y del silicio y su dependencia de la temperatura.2

En las temperaturas moderadas por ejemplo (diga aproximadamente 500 Celsius) la movilidad del germanio es mucho más alta que la del silicio, que hace los átomos del Si acumular en los bordes y los perímetros del nanostructure, 5,6 mientras que la estabilidad termodinámica requeriría el contrario, es decir memorias ricas del Si y las periferias de los ricos de GE.

Mientras Que está sobresimplificado, el retrato descrito arriba es un comienzo razonable para entender propiedades individuales y colectivas de los nanostructures del semiconductor según lo observado en datos experimentales. Una variedad de componentes termodinámicos adicionales, incluyendo e.g acciones recíprocas de la deformación entre los nanostructures y el substrato, entre los nanostructures coexistentes y dentro de nanostructures individuales, pueden inducir perturbaciones efectivas en la definición de los sitios preferenciales de la nucleación, la transferencia de la masa y de la modulación de la talla y de la dimensión de una variable (véase e.g. a Ostwald el madurar que ascienda el incremento de grande sobre pequeños nanostructures), y el intercambio de los átomos del germanio y del silicio.

La dinámica difusiva y los componentes termodinámicos adicionales pueden modularse por la integración de las intervenciones de arriba hacia abajo convenientes, que se pueden diseñar y ejecutar de acuerdo con el comportamiento espontáneo descrito arriba, que no puede ser suprimido. Esto es una aproximación híbrida para lograr nanostructures del semiconductor con mando aumentado sobre su posición, talla, dimensión de una variable y composición elemental.

En este contexto la noción de las “señales de entrada superficiales” es un concepto potente, 7 por el que una modificación preliminar del substrato altere el paisaje cinético y termodinámico en la superficie, la adsorción y la difusión así que conducen de átomos y de moléculas. Los Ejemplos de las “señales de entrada superficiales” pueden ser matrices de pasos de progresión, 8 de dislocaciones y de inhomogeneidades de la substancia química introducidas sobre el substrato de silicio antes de la deposición del germanio.

En conclusión, durante últimos años ha habido progreso importante en la comprensión fundamental y la fabricación de QDs basó en nanostructures del semiconductor. Mientras Que todavía hay muchos asuntos críticos delante, el potencial para la innovación radical detrás de estos conceptos proporciona al estímulo fuerte para las investigaciones futuras de los nanostructures del semiconductor.


Referencias

1. F. Rosei, J. Phys.: Cond. Matt. 16, S1373 (2004).
2. F. Ratto, G. Costantini, A. Rastelli, O.G. Schmidt, K. Núcleo De Condensación, 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. Núcleo De Condensación, Phys. Rev. B 72, 195320 (2005).
6. F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S.K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei, Pequeños 2, 401 (2006).
7. F. Cicoira, F. Rosei, Resaca. Sci. 600, 1 (2006).
8. A. Sgarlata, P.D. Szkutnik, A. Balzarotti, N. Motta, F. Rosei, Appl. Phys. Lett. 83, 4002 (2003).

Derechos De Autor AZoNano.com, Profesor Federico Rosei (Université du Québec)

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

Last Update: 14. June 2013 01:55

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