半導体 Nanostructures の統合の拡散そして Interdiffusion

教授によってフェデリコ Rosei

フルビオ Ratto、 Istituto di Fisica Applicata 「Nello カラーラ」およびフェデリコ Rosei、 Institut National de la Recherche Scientifique 教授
対応する著者: rosei@emt.inrs.ca

半導体の nanostructures は最後の二十年にわたって広く調査されました。 適切な処理条件の下で、異なる半導体材料の間の異質接続点の製造は 1-100 長さ nm のスケールの側面次元の三次元 nanostructures に起因します。 著しい例はケイ素およびゲルマニウムのようなグループ IV の半導体の (Si)箱です (Ge)。

Si の基板の GE の沈殿は厚いちょうど少数の原子層近隣の環境に別の物理的な、化学特性との高密度 nanostructure の自己構成を誘導します。 例えば、電気動作の 1 つの独特な特性は反対の料金の離散量を引っ掛ける機能 (電子および正孔)、自然な原子の箱に同様にです。 その結果、これらの nanostructures は頻繁に 「量」が (QDs) および 「人工的な原子」点を打つように参照されます。 同様に、 QDs の機能的な建築内の相互相互作用は新しい機会の全域の原因となる分子および水晶の人工的なアナログをもたらすかもしれません。

QDs の潜在的なアプリケーションは巨大です。 QDs の使用が最も影響が大きいの出すかもしれない科学技術フィールドは発光ダイオード (LED) およびレーザー技術、単一の光子ソース、新しいトランジスター、セル・オートマトンおよび量のコンピュータ、高度の触媒、光起電装置、環境および生物医学的な診断、イメージ投射および therapeutics、 biosensing、特に等を、ケイ素の技術と互換性があるプロセスの開発保持します最新式の半導体の製造プロセスの QDs の即時の統合のための潜在性を含んでいます。

上昇形アプローチを使用してゲルマニウム/ケイ素の nanostructures の製造はエピタクシー的に育てられた QDs のアレイを実現する可能なオプションになることができます。 原型の実験は含みます半導体の処理で使用中のいろいろな化学薬品および物理的な方法によって既に実現されるかもしれないシリコン基板のゲルマニウム原子の遅い沈殿を (例えば毎秒 monatomic 層の小分けします) 成っています。

高温で、 GE 原子はこれらの要素間の類似による Si の基板の結晶格子の幾何学を複製します。 GE の格子パラメータが異質インターフェイスで余分な緊張の蓄積を引き起こす Si のそれより大きい約 4% であるどんなに。

ある特定の厚さを越えてこの緊張の部分的な弛緩を達成するために、自発のメカニズムは介入します。 これらのメカニズムの 1 つは三次元 nanostructures の出現の最終的に原因となる荒さの作成です。 他のメカニズムは不適当な物の転位の核形成およびインターフェイスで有効な格子不適当な組み合わせを減らす Si 原子の混合を含んでいます、および GE。 三次元 nanostructures 内のそしてのまわりの幾何学的の、緊張および元素プロフィールはこれらのの基本的な特性を QDs 支配します。

半導体の nanostructures の自己構成の起源の主な概念が熱力学の不安定な状態の間、ここ数年原子拡散に対して運動パラメータおよびエネルギー障壁の先導的な役割を示す新しい範例は提案されました。 物理学の最もいたるところにある概念の 1 つである熱力学の安定性は典型的な実験条件の下で観察されるいくつかの物理的な、化学特性を説明し例えば緊張および元素プロフィールを含んでいます。 2

熱力学の安定性を達成するためには三次元 nanostructures 内のそしてのまわりのすべての材料は競争構成をの大きい語順換えそしてすばらしい多数支えるべきです。 ただしこれは原子拡散および交換に対するエネルギー障壁によって妨げられます。 典型的な実験条件の下、表面の拡散および大きさの拡散の確率間に大きい不均衡があります。2

実際には、表面の拡散は非常に急速証明し、ブラウン運動 (任意動き) によって本質的に支配され、そして表面の熱力学の景色によってだけ部分的に指示されます。

それに対してバルク拡散は僅かです、最上の原子層の下のすなわち新しい原子によってオーバーレイをされてとすぐ原子はフリーズされます。 さらに温度が沈殿、例えばサイズおよび形の統計量から成り立つサンプルの全面的な構成の後ですぐに癒やされるとき QDs の緊張そして元素プロフィールおよび相互分離成長の間に実現される動的過程にとっての最も高い重要性を与える重要な改革を経ることができません。

沈殿プロセスで早く定義される重要な機能は生じる三次元 nanostructures の相互位置です。 個々の nanostructure の核形成の確率は拡散および群がることが安定した核を生成するかもしれない使用できる原子のローカル集中と増加します。

この確率は突然 1 つの核が本質的にブラウン運動によって運転される近く原子の捕獲によって拡大しようで、始めるとすぐ落ちます。3 これは核が原子表面の拡散距離に関連するある特定の間隔を別なぜ保ちがちであるか説明します。4 表面の拡散はまた移動式原子の捕獲によって nanostructure の成長、サイズおよび形を仲介します。3

ブラウン運動の最も簡単な仮定の下で、これは共存の nanostructures 間の直観的な競争プロセス、というより近いの相互近さより小さいの相対的なサイズです。4 サイズと形間の相関関係は固体概念です。1 最後に、表面の拡散は主な機能が内の元素プロフィールをブラウン運動の点ではもう一度説明されるかもしれない nanostructures、ゲルマニウムおよびケイ素の別の移動性および温度への依存定めます。2

適当な温度でゲルマニウムの例えば (およそ 500 摂氏を言って下さい) 移動性は熱力学の安定性が反対、すなわち Si の豊富なコアおよび GE の金持ちを周囲必要とする一方 Si 原子が5,6 nanostructure の端および境界で集まりますケイ素のそれより大いに高いです。

単純化しすぎられている間、上で記述されている映像は実験データで観察されるように半導体の nanostructures の個々および集合的な特性を理解する適度な開始です。 nanostructures と基板、共存の nanostructures および個々の nanostructures 内の例えば緊張の相互作用を含んでいるいろいろ追加熱力学のコンポーネントは優先核形成のサイトの定義、サイズおよび形の大容量そして変調の転送 (小さい nanostructures に大きいの成長を促進する例えば Ostwald を熟すことを見て下さい)、およびゲルマニウムおよびケイ素原子の交換の有効な摂動を誘導するかもしれません。

拡散的な原動力および追加熱力学のコンポーネントは両方上で記述されている抑制することができない自発の動作に応じて設計され、実行されるかもしれない適したトップダウンの介在の統合によって調整されるようになるかもしれません。 これは位置、サイズ、形および元素構成の高められた制御を用いる半導体の nanostructures を達成するハイブリッドアプローチです。

この文脈では 「表面の手掛り」の概念は従って基板の7 予備の修正が原子および分子の表面、指導の吸着および拡散で運動および熱力学の景色を変えるという、強力な概念です。 「表面の手掛り」の例はステップ、転位およびゲルマニウムの沈殿8 前にシリコン基板にもたらされる化学薬品の異種のアレイであるかもしれません。

結論として、ここ数年基本的な理解に重要な進歩があり、 QDs の製造は半導体の nanostructures に基づいていました。 今でも前方の多くの深刻な問題の間、これらの概念の後ろの過激な改革のための潜在性は半導体の nanostructures の未来の調査に強い刺激を提供します。


参照

1. F. Rosei、 J. Phys。: Cond。 マット。 16、 S1373 (2004 年)。
2. F. Ratto、 G. Costantini、 A. Rastelli、 O.G. シュミツト、 K. カーン、 F. Rosei、 J. Exp. Nanosci。 1、 279 (2006 年)。
3. M. Fanfoni、 M. Tomellini、 J. Phys。: Cond。 マット。 17、 571 (2005 年)。
4. F. Ratto、 A. Locatelli、 S. Fontana、 S. Kharrazi、 S. Ashtaputre、 S.K. Kulkarni、 S. Heun、 F. Rosei、 Phys。 Lett Rev。 96、 096103 (2006 年)。
5. G. Katsaros、 G. Costantini、 M. Stoffel、 R. エステバン、 A.M. Bittner、 A. Rastelli、 U. Denker、 O.G. シュミツト、 K. カーン、 Phys。 Rev. B 72、 195320 (2005 年)。
6. F. Ratto、 A. Locatelli、 S. Fontana、 S. Kharrazi、 S. Ashtaputre、 S.K. Kulkarni、 S. Heun、 F. Rosei、小さい 2、 401 (2006 年)。
7. F. Cicoira、 F. Rosei の波。 Sci。 600、 1 (2006 年)。
8. A. Sgarlata、 P.D. Szkutnik、 A. Balzarotti、 N. Motta、 F. Rosei、 Appl。 Phys。 Lett。 83、 4002 (2003 年)。

、版権 AZoNano.com フェデリコ Rosei (Universite? du Quebecc) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:31

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