Диффузия и Interdiffusion в Синтезе Полупроводника Nanostructures

Профессором Federico Rosei

Fulvio Ratto, Istituto di Fisica Applicata «Nello Каррара» и Профессор Federico Rosei, Institut Национальн de Ла Вычурный Scientifique
Соответствуя автор: rosei@emt.inrs.ca

Nanostructures Полупроводника были изучены обширно над последними 2 декадами. Под правильными обрабатывая условиями, изготовление несродных соединений между различными материалами полупроводника приводит к в трехмерные nanostructures с боковыми размерами в маштабе nm длины 1-100. Знатный пример случай полупроводников Группы IV как кремний (Si) и германий (Ge).

Низложение Ge на субстрате Si как раз немного атомных слоев толщиных наводит организацию собственной личности high-density nanostructure с медицинским осмотром и химических свойств различных к их соседской окружающей среде. На пример, одна специфическая черта их электрического поведения способность поглотить дискретное количество противоположной обязанности (электроны и отверстия электрона), подобно к случаю естественных атомов. В результате, эти nanostructures часто названы «сумма ставит точки» (QDs) и «искусственние атомы». Также, взаимные взаимодействия в пределах функциональных зодчеств QDs могут дать подъем к искусственним аналогам молекул и кристаллов, водя к gamut новых возможностей.

Потенциальные применения QDs преогромны. Технологические поля где польза QDs может приложить самое ударопрочное включают светоиспускающий диод (СИД) и лазерные техники, одиночные источники фотона, новые транзисторы, клетчатые автоматоны и компьютеры суммы, предварительные катализаторы, фотовольтайческие приборы, относящие к окружающей среде и биомедицинские диагностики, воображение и терапевтику, biosensing, Etc. В частности, развитие процессов совместимых с технологией кремния держат потенциал для немедленного внедрения QDs в современных процессах изготовления полупроводника.

Изготовление nanostructures германего/кремния используя вверх ногами подход смогло стать жизнеспособным вариантом для того чтобы осуществить блоки эпитаксиально, котор росли QDs. Prototypical эксперимент состоит включает медленное низложение атомов германего на субстрате кремния (например дробит monatomic слоев в секунду), который может быть осуществлян разнообразие химикатом и физическими методами уже в пользе в обрабатывать полупроводника.

В условиях высоких температур, атомы Ge копируют геометрию кристаллической решетки субстрата Si, должную к сходствам между этими элементами. Тем Ме Менее параметр решетки Ge около 4% более большое чем то из Si, который причиняет чрезмерно накопление напряжения на несродном интерфейсе.

За некоторой толщиной, самопроизвольно механизмы вмешиваются для выполнения частично релаксации этого напряжения. Один из этих механизмов творение шершавости, которая в конечном счете водит к эмерджентности трехмерных nanostructures. Другие механизмы включают нуклеацию вывихиваний неудачи и перемешивать атомов Ge и Si, который уменьшает эффективное рассогласование решетки на интерфейс. Геометрическое, напряжение и изначальный профиль в пределах и вокруг трехмерных nanostructures управляют основными характеристиками этих QDs.

Пока главным образом принципиальная схема на начале организации собственной личности nanostructures полупроводника термодинамическая нестабильность, над недавними летами была предложена романная парадигма, которая ссылается к ведущей роли кинетических параметров и энергетических барьеров против атомной диффузии. Термодинамическая стабилность, которая одна из самых вездесущих принципиальных схем в физике, не объясняет несколько медицинский осмотр и химических свойств наблюдаемых под типичными экспириментально условиями, включающ например напряжение и изначальные профили. 2

Для того чтобы достигнуть термодинамической стабилности весь материал в пределах и вокруг трехмерных nanostructures должен вытерпеть массивнейшие перераспределения и большое множество конкурсных конфигураций. Однако это помешано энергетическими барьерами против атомных диффузии и обменов. Под типичными экспириментально условиями, большая неуравновешенность между вероятностью поверхностной диффузии и диффузии большого части.2

На практике, поверхностная диффузия доказывает весьма быстрое и существенно управлено Броуновским движением (случайным движением) и только частично направлено термодинамическим ландшафтом поверхности.

В диффузии большого части контраста незначителен, т.е. замерзаются атомы под topmost атомным слоем как только overlaid новыми атомами. Сверх Того когда температура погашена скоро после низложения, общей конфигурации образца состоя из статистик например размера и формы, напряжение и изначальные разъединения профиля и взаимных QDs не смогите пройти значительно развитие, которое дает самую высокую важность к динамическим процессам осуществлянным во время роста.

Важная характеристика которая определена в самом начале процесс низложения взаимные положения приводя к трехмерных nanostructures. Вероятность нуклеации индивидуального nanostructure увеличивает с местный концентрацией доступных атомов, диффузии которых и связывать может произвести стабилизированные ядра.

Эта вероятность внезапно падает как только кажется, что и начинается увеличивает одно ядро захватом близрасположенных атомов существенно управляемых Броуновским движением.3 Это объясняет почему ядра клонат держать некоторое расстояние отделенной, которое сопоставляет с атомной поверхностной длиной диффузионного смещения.4 Поверхностная диффузия также посредничает рост, размер и форму nanostructure захватом передвижных атомов.3

Под самым простым предположением Броуновского движения, это интуитивный конкурсный процесс между сосуществуя nanostructures, whereby близкое их взаимная близость малое их относительный размер.4 Корреляция между размером и формой твердая принципиальная схема.1 Окончательно, поверхностная диффузия определяет изначальный профиль в пределах nanostructures, характеристики которых главным образом могут быть объяснены оперируя понятиями Броуновского движения еще раз, различная удобоподвижность германего и кремния и своя зависимость на температуре.2

На вмеру температурах например (скажите приблизительно 500 Градус Цельсия) удобоподвижность германего гораздо высокее чем удобоподвижностиз кремния, который причиняет атомы Si аккумулировать на краях и периметрах nanostructure, 5,6 тогда как термодинамическая стабилность требовала бы противоположности, т.е. сердечников Si богатых и богатые люди Ge периферии.

Пока oversimplified, изображение описываемый выше разумный старт для того чтобы понять индивидуала и коллективных собственностей nanostructures полупроводника как наблюдали в экспериментальных данных. Разнообразие дополнительные термодинамические компоненты, включая например взаимодействия напряжения между nanostructures и субстратом, между сосуществуя nanostructures и в пределах индивидуальных nanostructures, могут навести эффективные возмущения в определении преференциальных мест нуклеации, переходе массы и модуляции размера и формы (см., что например Ostwald зреет которое повышает рост большого над малыми nanostructures), и обмене атомов германего и кремния.

И отражающая динамика и дополнительные термодинамические компоненты могут стать модулируемыми внедрением соответствующих идущий сверху вниз интервенций, которые могут быть конструированы и снабжены 0Nв соответствии с самопроизвольно поведением описываемый выше, которое нельзя подавить. Это гибридный подход для того чтобы достигнуть nanostructures полупроводника с увеличенным управлением над их положением, размером, формой и изначальный составом.

В этом контексте придумка «поверхностных сигналов» мощная принципиальная схема, 7 whereby предварительное изменение субстрата изменяет кинетический и термодинамический ландшафт на поверхности, таким образом направляя адсорбции и диффузии атомов и молекул. Примеры «поверхностных сигналов» могут быть блоками шагов, 8 вывихиваний и inhomogeneities химиката введенных на субстрат кремния до низложения германего.

В заключение, над недавними летами значительно прогресс в глубоком понимании и изготовление QDs основало на nanostructures полупроводника. Пока все еще много насущных проблем вперед, потенциал для радикального рационализаторства за этими принципиальными схемами обеспечивает сильную мотивировку для будущих исследований nanostructures полупроводника.


Справки

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

Авторское Право AZoNano.com, Профессор Federico Rosei (Université du Québec)

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

Last Update: 14. June 2013 01:52

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