Diffusione e Interdiffusion nella Sintesi del Semiconduttore Nanostructures

dal Professor Federico Rosei

Fulvio Ratto, Istituto di Fisica Applicata “Nello Carrara„ ed il Professor Federico Rosei, Institut National de la Recherche Scientifique
Autore Corrispondente: rosei@emt.inrs.ca

I nanostructures A Semiconduttore sono stati studiati estesamente durante le ultime due decadi. Nelle condizioni di lavorazione adeguate, il montaggio delle giunzioni eterogenee fra i materiali differenti a semiconduttore risulta nei nanostructures tridimensionali con le dimensioni laterali nel disgaggio di nanometro di lunghezza 1-100. Un esempio notevole è la cassa dei semiconduttori di Gruppo IV quali silicio (Si) e germanio (Ge).

Il deposito del GE su un substrato di Si appena alcuni livelli atomici spessi induce l'organizzazione di auto di un nanostructure ad alta densità con i beni fisici e chimici differenti al loro ambiente vicino. Per esempio, un tratto peculiare del loro comportamento elettrico è la capacità di intrappolare gli importi discreti della tassa opposta (elettroni e fori di elettrone), similmente alla cassa degli atomi naturali. Di conseguenza, questi nanostructures si riferiscono a spesso come “il quantum punteggia„ (QDs) e “atomi artificiali„. Inoltre, le interazioni reciproche all'interno delle architetture funzionali di QDs possono provocare gli analoghi artificiali delle molecole e dei cristalli, piombo ad una gamma di nuove opportunità.

Le applicazioni potenziali di QDs sono enormi. I campi Tecnologici in cui l'uso di QDs può esercitare il più alto impatto includono le tecnologia laser del diodo luminescente (LED) e, le singole sorgenti del fotone, i nuovi transistor, gli automi ed i computer cellulari di quantum, i catalizzatori avanzati, le unità fotovoltaiche, i sistemi diagnostici ambientali e biomedici, la rappresentazione e la terapeutica, biosensing, Ecc. In particolare, lo sviluppo dei trattamenti compatibili con la tecnologia del silicio tiene il potenziale per integrazione immediata di QDs nei trattamenti avanzati di montaggio a semiconduttore.

Il montaggio dei nanostructures silicio/del germanio facendo uso dell'approccio dal basso ha potuto trasformarsi in in un opzione realizzabile per realizzare le schiere di QDs epitassiale sviluppato. L'esperimento prototipo consiste comprende il deposito lento degli atomi del germanio su un substrato di silicio (per esempio fractions dei livelli monoatomici al secondo), che può essere realizzato con vari prodotto chimico e metodi fisici già in uso nel trattamento a semiconduttore.

Alle temperature elevate, gli atomi di GE ripiegano la geometria del reticolo cristallino del substrato di Si, dovuto le similarità fra questi elementi. Comunque il parametro della grata del GE è circa 4% più grande di quello del Si, che causa l'eccessiva capitalizzazione di sforzo all'interfaccia eterogenea.

Oltre certo spessore, i meccanismi spontanei intervengono per compire il rilassamento parziale di questo sforzo. Uno di questi meccanismi è la creazione della rugosità, che infine piombo all'emergenza dei nanostructures tridimensionali. Altri meccanismi comprendono la nucleazione delle dislocazioni dell'indumento sbagliato ed il miscuglio degli atomi di Si e di GE, che diminuisce l'efficace disadattamento della grata all'interfaccia. Il geometrico, lo sforzo ed il profilo elementare all'interno di ed intorno ai nanostructures tridimensionali governano le caratteristiche fondamentali dei questi QDs.

Mentre il concetto principale all'origine dell'organizzazione di auto dei nanostructures a semiconduttore è un'instabilità termodinamica, da qualche anno un paradigma novello è stato proposto, che si riferisce ad un ruolo di primo piano dei parametri e delle barriere di energia cinetici contro la diffusione atomica. La stabilità Termodinamica, che è uno dei concetti più onnipresenti nella fisica, non spiega una serie di beni fisici e chimici osservati nelle circostanze sperimentali tipiche, comprendendo per esempio lo sforzo ed i profili elementari. 2

Per raggiungere la stabilità termodinamica tutto il materiale all'interno di ed intorno ai nanostructures tridimensionali dovrebbe sostenere le riorganizzazioni massicce ed il grande gran numero di configurazioni non Xerox. Tuttavia questo è ostruito dalle barriere di energia contro la diffusione e gli scambi atomici. Nelle circostanze sperimentali tipiche, c'è un grande squilibrio fra la probabilità della diffusione di superficie e della diffusione alla rinfusa.2

In pratica, la diffusione di superficie prova estremamente rapido ed essenzialmente è governata tramite moto Browniano (movimento casuale) e soltanto parzialmente è diretta dal paesaggio termodinamico della superficie.

Al contrario la diffusione in serie è trascurabile, cioè gli atomi sotto il livello atomico superiore sono congelati non appena sovrapposto dai nuovi atomi. Inoltre quando la temperatura è estiguuta presto dopo il deposito, la configurazione globale del campione che comprende le statistiche di forma e per esempio di dimensione, sforzo e le separazioni reciproche elementari e di profilo del QDs non può subire l'evoluzione significativa, che dà il più alta importanza ai trattamenti dinamici realizzati durante la crescita.

Una funzionalità importante che è definita presto nel trattamento del deposito è le posizioni reciproche dei nanostructures tridimensionali risultanti. La probabilità di nucleazione di un nanostructure determinato aumenta con la concentrazione locale di atomi disponibili, di cui la diffusione e ragruppare può generare i nuclei stabili.

Questa probabilità cade improvvisamente non appena un nucleo sembra e comincia ampliare con il bloccaggio degli atomi vicini essenzialmente guidati tramite moto Browniano.3 Ciò spiega perché i nuclei tendono a tenere una determinata distanza diversa, che correla con la lunghezza di diffusione di superficie atomica.4 La diffusione Di Superficie egualmente media la crescita, la dimensione e la forma di nanostructure dal bloccaggio degli atomi mobili.3

Nell'ambito del presupposto più semplice di moto Browniano, questo è un trattamento non Xerox intuitivo fra i nanostructures di coesistenza, con cui il più vicino la loro prossimità reciproca il più piccolo la loro dimensione relativa.4 La correlazione fra la dimensione e la forma è un concetto solido.1 Per Concludere, la diffusione di superficie determina il profilo elementare all'interno dei nanostructures, di cui le funzionalità principali possono essere spiegate ancora una volta in termini di moto Browniano, la mobilità differente di germanio e di silicio e la sua dipendenza dalla temperatura.2

Alle temperature moderate per esempio (dica circa 500 Celsius) la mobilità di germanio è molto superiore a quella di silicio, che induce gli atomi di Si a accumularsi alle barriere ed ai perimetri di nanostructure, 5,6 mentre la stabilità termodinamica richiederebbe l'opposto, cioè memorie ricche di Si e periferie dei ricchi di GE.

Mentre troppo semplificata, la maschera descritta precedentemente è un inizio ragionevole capire i diversi e beni collettivi dei nanostructures a semiconduttore come osservata nei dati sperimentali. Varie componenti termodinamiche supplementari, comprendenti per esempio le interazioni di sforzo fra i nanostructures ed il substrato, fra i nanostructures di coesistenza ed all'interno di diversi nanostructures, possono indurre le efficaci perturbazioni nella definizione dei siti preferenziali di nucleazione, nel trasferimento della massa e della modulazione della dimensione e della forma (vedi per esempio Ostwald maturare che promuove la crescita di grande sopra i piccoli nanostructures) e nello scambio di atomi del silicio e del germanio.

Sia la dinamica di diffusione che le componenti termodinamiche supplementari possono essere modulate tramite integrazione degli interventi dall'alto in basso adatti, che possono essere progettati ed applicati in accordo con il comportamento spontaneo descritto precedentemente, che non può essere soppresso. Ciò è un approccio ibrido per raggiungere i nanostructures a semiconduttore con controllo migliorato sopra la loro posizione, dimensione, forma e composizione elementare.

In questo contesto la nozione “delle indicazioni di superficie„ è un concetto potente, 7 con cui una modifica preliminare del substrato altera il paesaggio cinetico e termodinamico alla superficie, all'adsorbimento ed alla diffusione così guidanti degli atomi e delle molecole. Gli Esempi “delle indicazioni di superficie„ possono essere schiere dei punti, 8 delle dislocazioni e delle eterogeneità del prodotto chimico introdotte sul substrato di silicio prima del deposito del germanio.

In conclusione, da qualche anno c'è stato progresso significativo nella comprensione fondamentale ed il montaggio di QDs ha basato sui nanostructures a semiconduttore. Mentre ci sono ancora molte questioni critiche avanti, il potenziale per innovazione radicale dietro questi concetti fornisce la forte motivazione per le indagini future sui nanostructures a semiconduttore.


Riferimenti

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, DI MATTINA 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, Piccoli 2, 401 (2006).
7. F. Cicoira, F. Rosei, Spuma. 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, il Professor Federico Rosei (Université du Québec)

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

Last Update: 14. June 2013 01:28

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