Diffusion et Interdiffusion dans la Synthèse du Semi-conducteur Nanostructures

par Professeur Federico Rosei

Fulvio Ratto, Istituto di Fisica Applicata « Nello Carrare » et Professeur Federico Rosei, Institut National de la Recherche Scientifique
Auteur Correspondant : rosei@emt.inrs.ca

Des nanostructures de Semi-conducteur ont été étudiés considérable pendant les deux dernières décennies. Dans des conditions de traitement correctes, la fabrication des jonctions hétérogènes entre différents matériaux de semi-conducteur donne droit dans des nanostructures en trois dimensions avec des cotes transversales dans l'échelle de nanomètre de longueur 1-100. Un exemple notable est la caisse de semi-conducteurs du Groupe IV tels que le silicium (Si) et le germanium (Ge).

Le dépôt de la GE sur un substrat de SI juste quelques couches atomiques épaisses induit l'organisme d'individu d'un nanostructure à haute densité avec les propriétés matérielles et chimiques différentes à leur environnement voisin. Par exemple, un trait particulier de leur comportement électrique est la capacité d'enfermer des quantités discrètes de charge opposée (des électrons et des trous d'électron), assimilé à la caisse d'atomes naturels. En conséquence, ces nanostructures sont souvent mentionnés comme la « tranche de temps pointille » (QDs) et « les atomes artificiels ». De Même, les interactions mutuelles dans des architectures fonctionnelles de QDs peuvent provoquer des analogues artificiels des molécules et des cristaux, menant à une gamme d'opportunités neuves.

Les applications possibles de QDs sont énormes. Les zones Technologiques où l'utilisation de QDs peut exercer le plus à haute impression comprennent des technologies laser du light emitting diode (LED) et, des sources uniques de photon, des transistors neufs, des automates cellulaires et des ordinateurs de tranche de temps, des catalyseurs avancés, des dispositifs photovoltaïques, des diagnostics environnementaux et biomédicaux, la représentation et la thérapeutique, biosensing, Etc. En particulier, le développement des procédés compatibles avec la technologie de silicium retient le potentiel pour l'intégration immédiate de QDs dans des procédés de pointe de fabrication de semi-conducteur.

La fabrication des nanostructures de germanium/silicium utilisant l'élan ascendant a pu devenir une alternative viable de réaliser des alignements de QDs épitaxial développé. L'expérience prototypique consiste comporte le dépôt lent des atomes de germanium sur un substrat de silicium (par exemple fractionne des couches monatomic par seconde), qui peut être réalisé par un grand choix de produit chimique et de méthodes matérielles déjà en service dans le traitement de semi-conducteur.

Aux températures élevées, les atomes de GE reproduisent la géométrie de réseau cristallin du substrat de SI, due aux similitudes entre ces éléments. Toutefois le paramètre de réseau de la GE est environ 4% plus grand que celui du SI, qui entraîne l'accumulation excessive de tension à la surface adjacente hétérogène.

Au Delà d'une certaine épaisseur, les mécanismes spontanés interviennent pour accomplir la relaxation partielle de cette tension. Un de ces mécanismes est la création de la rugosité, qui mène éventuel à l'émergence des nanostructures en trois dimensions. D'Autres mécanismes comprennent la nucléation des dislocations de vêtement manqué et l'entremêlement des atomes de GE et de SI, qui réduit l'erreur d'assortiment pertinente de réseau à la surface adjacente. Le géométrique, la tension et le profil élémentaire dans et autour des nanostructures en trois dimensions régit des caractéristiques principales des ces QDs.

Tandis Que le concept principal à l'origine de l'organisme d'individu des nanostructures de semi-conducteur est une instabilité thermo-dynamique, depuis quelques années un paradigme nouveau a été proposé, qui se rapporte à un rôle principal des paramètres et des barrages d'énergie cinétiques contre la diffusion atomique. La stabilité Thermo-dynamique, qui est l'un des concepts les plus omniprésents dans la physique, n'explique pas un certain nombre de propriétés matérielles et chimiques observées dans des conditions expérimentales particulières, comprenant par exemple la tension et les profils élémentaires. 2

Pour réaliser la stabilité thermo-dynamique tout le matériau dans et autour des nanostructures en trois dimensions devrait supporter les réarrangements massifs et la multitude grande de configurations compétitives. Cependant ceci est masqué par des barrages d'énergie contre la diffusion et les échanges atomiques. Dans des conditions expérimentales particulières, il y a un grand déséquilibre entre la probabilité de la diffusion extérieure et de la diffusion en vrac.2

Dans la pratique, la diffusion extérieure prouve extrêmement rapide et est essentiellement régie par mouvement Brownien (mouvement irrégulier) et partiellement seulement dirigée par l'horizontal thermo-dynamique de la surface.

En revanche la diffusion en vrac est négligeable, c.-à-d. des atomes ci-dessous la couche atomique le plus élevé seront gelés dès que recouvert par les atomes neufs. D'ailleurs quand la température est trempée peu après dépôt, la configuration générale de l'échantillon comportant des statistiques par exemple de taille et de forme, tension et séparations de profil et mutuelles élémentaires du QDs ne peut pas subir l'évolution significative, qui donne l'importance la plus élevée pour les procédés dynamiques réalisés pendant l'accroissement.

Une caractéristique technique importante qui est précoce défini dans le procédé de dépôt est les positions mutuelles des nanostructures en trois dimensions donnants droit. La probabilité de la nucléation d'un nanostructure individuel augmente avec la concentration locale des atomes disponibles, dont la diffusion et le groupement peut produire des noyaux stables.

Cette probabilité chute soudainement dès qu'un noyau semblera et commence agrandir par la capture des atomes avoisinants essentiellement pilotés par mouvement Brownien.3 Ceci explique pourquoi les noyaux tendent à maintenir une certaine distance distante, qui marque avec la longueur de diffusion extérieure atomique.4 La diffusion Extérieure négocie également l'accroissement, la taille et la forme de nanostructure par la capture des atomes mobiles.3

Dans l'acceptation la plus simple du mouvement Brownien, c'est un procédé compétitif intuitif entre les nanostructures de coexistence, par lequel le plus proche leur proximité mutuelle le plus petit leur taille relative.4 La corrélation entre la taille et la forme est un concept solide.1 En Conclusion, la diffusion extérieure détermine le profil élémentaire dans les nanostructures, dont les principales caractéristiques techniques peuvent être expliquées de nouveau en termes de mouvement Brownien, la mobilité différente du germanium et du silicium et sa dépendance à l'égard la température.2

Aux températures modérées par exemple (dites approximativement 500 Celsius) la mobilité du germanium est beaucoup plus élevée que celle du silicium, qui fait accumuler des atomes de SI aux arêtes et aux périmètres de nanostructure, 5,6 attendu que la stabilité thermo-dynamique exigerait l'opposé, c.-à-d. noyaux riches de SI et des périphéries de riches de GE.

Tandis Qu'exagérée, l'illustration décrite ci-dessus est un début raisonnable pour comprendre différentes et collectives propriétés des nanostructures de semi-conducteur comme observée dans les données expérimentales. Un grand choix de composants thermo-dynamiques supplémentaires, comprenant par exemple des interactions de tension entre les nanostructures et le substrat, entre les nanostructures de coexistence et dans différents nanostructures, peuvent induire des perturbations pertinentes dans la définition des sites préférentiels de nucléation, le transfert de la masse et de la modulation de la taille et de la forme (voyez par exemple la maturation d'Ostwald qui introduit l'accroissement de grand au-dessus de petits nanostructures), et l'échange des atomes de germanium et de silicium.

La dynamique diffusive et les composants thermo-dynamiques supplémentaires peuvent devenir modulés par l'intégration des interventions hiérarchisées adaptées, qui peuvent être conçues et mises en application en accord avec le comportement spontané décrit ci-dessus, qui ne peut pas être supprimé. C'est un élan hybride pour réaliser des nanostructures de semi-conducteur avec le contrôle amélioré de leur position, taille, forme et composition élémentaire.

Dans ce contexte la notion « du cues" extérieur est un concept puissant, 7 par lequel une modification préliminaire du substrat modifie l'horizontal cinétique et thermo-dynamique sur la surface, de ce fait l'adsorption et la diffusion de guidage des atomes et des molécules. Les Exemples « du cues" extérieur peuvent être des choix de phases, 8 de dislocations et d'inhomogénéités de produit chimique introduites sur le substrat de silicium avant le dépôt de germanium.

En conclusion, depuis quelques années il y a eu progrès important dans la compréhension et la fabrication principales de QDs basées sur des nanostructures de semi-conducteur. Tandis Qu'il restent beaucoup de problèmes critiques en avant, le potentiel pour l'innovation radicale derrière ces concepts fournit la motivation intense pour de futures investigations sur des nanostructures de semi-conducteur.


Références

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, Petit 2, 401 (2006).
7. F. Cicoira, F. Rosei, Ressac. Sci. 600, 1 (2006).
8. A. Sgarlata, P.D. Szkutnik, A. Balzarotti, N. Motta, F. Rosei, APPL. Phys. Lett. 83, 4002 (2003).

Droit d'auteur AZoNano.com, Professeur Federico Rosei (Université du Québec)

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

Last Update: 14. June 2013 01:20

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