Verspreiding en Interdiffusion in de Synthese van Halfgeleider Nanostructures

door Professor Federico Rosei

Fulvio Ratto, Istituto Di Fisica Applicata „Nello Carrara“ en Professor Federico Rosei, Institut National DE La Recherche Scientifique
Overeenkomstige auteur: rosei@emt.inrs.ca

Nanostructures van de Halfgeleider zijn bestudeerd uitgebreid in de loop van de laatste twee decennia. In de juiste verwerkingsomstandigheden, vloeit de vervaardiging van heterogeene verbindingen tussen verschillende halfgeleidermaterialen in driedimensionele nanostructures met zijafmetingen voort in de 1-100 NM- lengteschaal. Een opmerkelijk voorbeeld is het geval van Groep IV halfgeleiders zoals silicium (Si) en germanium (Ge).

Het deposito van Duitsland op een substraat van Si enkel een paar atoom dikke lagen veroorzaakt zelforganisatie van een hoogte - dichtheidsnanostructure met fysieke en chemische eigenschappen verschillend van hun naburig milieu. Bijvoorbeeld, is één eigenaardige trek van hun elektrogedrag de capaciteit om afzonderlijke hoeveelheden tegenovergestelde last (elektronen en elektronengaten), zo ook aan het geval van natuurlijke atomen op te sluiten. Dientengevolge, worden deze nanostructures vaak bedoeld als „quantumpunten“ (QDs) en „kunstmatige atomen“. Eveneens, kunnen de wederzijdse interactie binnen functionele architectuur van QDs tot kunstmatige analogons van molecules en kristallen leiden, die tot een toonladder van nieuwe kansen leiden.

De potentiële toepassingen van QDs zijn enorm. De Technologische gebieden waar het gebruik van QDs het hoogste effect kan uitoefenen omvatten lichtgevende diode (LEIDEN) en lasertechnologieën, enige fotonbronnen, nieuwe transistors, cellulaire automaten en quantumcomputers, geavanceerde katalysators, photovoltaic apparaten, milieu en biomedische diagnostiek, weergave en therapeutiek, het biosensing enz. In het bijzonder, houdt de ontwikkeling van processen compatibel met siliciumtechnologie potentieel voor directe integratie van QDs in de vervaardigingsprocessen van de overzichtshalfgeleider.

De vervaardiging die van germanium/siliciumnanostructures de bottom-up benadering gebruiken kon een haalbare optie worden om series van epitaxially gekweekte QDs te realiseren. Het prototypeexperiment bestaat impliceert het langzame deposito van germaniumatomen op een siliciumsubstraat (b.v. fracties monatomic lagen per seconde), dat door een verscheidenheid van chemische en fysieke methodes reeds in gebruik in halfgeleiderverwerking kan worden gerealiseerd.

Bij hoge temperaturen, herhalen de atomen van Duitsland de meetkunde van het kristalrooster van het substraat van Si, wegens gelijkenissen tussen deze elementen. Nochtans is de roosterparameter van Duitsland 4% ongeveer groter dan dat van Si, dat bovenmatige spanningsaccumulatie bij de heterogeene interface veroorzaakt.

Voorbij een bepaalde dikte, komen de spontane mechanismen tussenbeide om gedeeltelijke ontspanning van deze spanning te verwezenlijken. Één van deze mechanismen is de verwezenlijking van ruwheid, die uiteindelijk tot de totstandkoming van driedimensionele nanostructures leidt. Andere mechanismen omvatten zich nucleation van buitenbeentjedislocaties en het vermengen van de atomen van Duitsland en van Si, dat de efficiënte roosterwanverhouding bij de interface verminderen. Geometrisch, de spanning en het elementaire profiel binnen en rond driedimensionele nanostructures regeert fundamentele kenmerken van deze QDs.

Terwijl het belangrijkste concept bij de oorsprong van de zelforganisatie van halfgeleidernanostructures een thermodynamische instabiliteit is, over recente jaren is een nieuw paradigma voorgesteld, dat naar een hoofdrol van kinetische parameters en energiebarrières tegen atoomverspreiding verwijst. De Thermodynamische stabiliteit, die één van de meest alomtegenwoordige concepten in fysica is, verklaart een aantal fysieke en chemische die eigenschappen niet in de typische experimentele omstandigheden worden waargenomen, die b.v. spanning en elementaire profielen omvatten. 2

Om thermodynamische stabiliteit te bereiken zou al materiaal binnen en rond driedimensionele nanostructures massieve herschikkingen en grote massa concurrerende configuraties moeten ondersteunen. Nochtans wordt dit belemmerd door energiebarrières tegen atoomverspreiding en uitwisselingen. In de typische experimentele omstandigheden, is er een groot onevenwicht tussen de waarschijnlijkheid van oppervlakteverspreiding en bulkverspreiding.2

In de praktijk, blijkt de oppervlakteverspreiding uiterst snel en door Brownbeweging (willekeurige beweging) hoofdzakelijk geregeerd en door het thermodynamische landschap van de oppervlakte gedeeltelijk slechts geleid.

In tegenstelling is de bulkverspreiding te verwaarlozen, d.w.z. zijn de atomen onder de hoogste atoomlaag bevroren zodra bedekt door nieuwe atomen. Bovendien wanneer de temperatuur spoedig na deposito wordt gedoofd, de algemene configuratie van de steekproef bestaand b.v. grootte en vorm uit statistieken, kunnen de spanning en de elementaire profielen en wederzijdse scheidingen van QDs geen significante evolutie ondergaan, die het hoogste belang aan de dynamische die processen geeft tijdens de groei worden gerealiseerd.

Een belangrijke eigenschap die vroeg in het depositoproces wordt bepaald is de wederzijdse posities van het voortvloeien driedimensionele nanostructures. De waarschijnlijkheid van nucleation van een individuele nanostructure stijgt met de lokale concentratie van beschikbare atomen, waarvan verspreiding en het groeperen zich stabiele kernen kan produceren.

Deze waarschijnlijkheid daalt plotseling zodra één kern en om door vangst van nabijgelegen die atomen hoofdzakelijk schijnt begint te vergroten door Brownbeweging worden gedreven.3 Dit verklaart waarom de kernen neigen om een bepaalde afstand te houden apart, die met de atoomlengte van de oppervlakteverspreiding correleert.4 De verspreiding van de Oppervlakte bemiddelt ook de nanostructuregroei, grootte en vorm door vangst van mobiele atomen.3

Onder de eenvoudigste veronderstelling van Brownbeweging, is dit een intuïtief concurrerend proces tussen het coëxisteren nanostructures, waardoor dichter hun wederzijdse nabijheid kleiner hun relatieve grootte.4 De correlatie tussen grootte en vorm is een stevig concept.1 Tot Slot bepaalt de oppervlakteverspreiding het elementaire profiel binnen nanostructures, de waarvan belangrijkste eigenschappen in termen van Brownbeweging nogmaals, de verschillende mobiliteit van germanium en silicium en zijn afhankelijkheid van temperatuur kunnen worden verklaard.2

Bij gematigde temperaturen bijvoorbeeld (zeg ongeveer 500 Celsius) de mobiliteit van germanium is veel hoger dan dat van silicium, dat de atomen van Si om bij nanostructureranden en perimeters veroorzaakt te accumuleren, 5,6 terwijl de thermodynamische stabiliteit het tegengestelde, d.w.z. de rijke kernen van Si en de rijke periferieën van Duitsland zou vereisen.

Terwijl te eenvoudig voorgesteld, is het hierboven beschreven beeld een redelijk begin om individuele en collectieve eigenschappen van halfgeleidernanostructures te begrijpen zoals die in experimentele gegevens wordt waargenomen. Een verscheidenheid van extra thermodynamische componenten, die b.v. spanningsinteractie tussen nanostructures en substraat, tussen het coëxisteren nanostructures en binnen individuele nanostructures omvatten, kunnen efficiënte storingen in de definitie van preferentiële nucleation plaatsen, de overdracht van massa en modulatie van grootte en vorm (zie b.v. het rijpen Ostwald die de groei van groot over kleine nanostructures) bevordert, en de uitwisseling van germanium en siliciumatomen veroorzaken.

Zowel kunnen de verspreidende dynamica als de extra thermodynamische componenten gemoduleerd worden door integratie van geschikte top-down acties, die kunnen in overeenstemming met het spontane hierboven beschreven gedrag worden ontworpen en worden uitgevoerd, dat niet kan worden onderdrukt. Dit is een hybride benadering om halfgeleidernanostructures met verbeterde controle over hun positie, grootte, vorm en elementaire samenstelling te bereiken.

In deze context is het begrip van „oppervlakterichtsnoeren“ een krachtig concept, 7 waardoor een inleidende wijziging van het substraat het kinetische en thermodynamische landschap aan de oppervlakte, zo leidende adsorptie en verspreiding van atomen en molecules verandert. De Voorbeelden van „oppervlakterichtsnoeren“ kunnen series van stappen, dislocaties8 en chemische die niet-homogeen karakter zijn op het siliciumsubstraat worden geïntroduceerd voorafgaand aan germaniumdeposito.

Samenvattend, over recente jaren is er significante vooruitgang in het fundamentele begrip en vervaardiging van QDs de gebaseerd op halfgeleidernanostructures geweest. Terwijl er nog vooruit vele kritieke kwesties zijn, verstrekt het potentieel voor radicale innovatie achter deze concepten sterke motivatie voor toekomstige onderzoeken van halfgeleidernanostructures.


Verwijzingen

1. F. Rosei, J. Phys.: Cond. Mat. 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. Mat. 17, 571 (2005).
4. F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S.K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei, Phys. Toer 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. Toer 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, Branding. Sc.i. 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 01:16

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit