扩散和 Interdiffusion 在半导体 Nanostructures 综合

由费德里科 Rosei 教授

富尔维奥 Ratto, Istituto di Fisica Applicata “内洛卡拉拉”和费德里科 Rosei, Institut National de la Recherche Scientifique 教授
对应的作者: rosei@emt.inrs.ca

半导体 nanostructures 在最后二十年期间广泛地被学习了。 在适当的处理条件下,异种连接点的制造区别半导体材料之间的导致到与侧向维数的三维 nanostructures 在 1-100 毫微米长度缩放比例。 一个值得注意的示例是第IV组半导体盒例如硅 (Si)和锗 (Ge)。

Ge 的证言在 Si 基体的厚实一些块基本的层导致一高密度 nanostructure 的组织工会与实际和化工属性的不同对他们相邻的环境。 例如,他们的电子工作情况一奇怪性格是这个能力捕捉分离相当数量相反的充电 (电子和电子空穴),类似于自然原子盒。 结果,这些 nanostructures 经常被称为 ‘数量加点’ (QDs) 和 ‘人为原子’。 同样,在 QDs 内功能结构的相互交往可能提升分子和水晶人为类似物,导致新的机会全部。

QDs 的潜在的应用是极大的。 使用 QDs 可能施加最高冲击的技术域在科技目前进步水平半导体制造进程中包括发光二极管 (LED) 和激光技术、唯一光子来源、新的晶体管、细胞自动机和数量计算机、先进的催化剂、光致电压的设备、环境和生物医学的诊断、想象和治疗学,特别是 biosensing 等等,进程的发展与硅技术兼容暂挂在 QDs 的立即综合化的潜在。

锗/硅 nanostructures 的制造使用这个自下向上途径的能成为认识到列阵的一个可行选择外延地增长的 QDs。 这个样本实验包括介入锗原子的缓慢的证言在硅体的 (即分成几部分 monatomic 层每秒),可能用各种各样的化学制品和实际方法认识到已经在使用中在半导体处理。

在高温, Ge 原子复制 Si 基体的晶格几何,由于在这些要素之间的相似性。 然而 Ge 的格子参数大于那约为 4% Si,导致额外的张力累计在这个异种界面。

在有些厚度之外,自发结构干预完成此张力的部分放松。 这些结构之一是坎坷的创建,根本地导致三维 nanostructures 诞生。 其他结构包括不称职脱臼的生核和交互混合 Ge 和 Si 原子,减少有效格子配错在这个界面。 几何,张力和基本配置文件在和在三维 nanostructures 附近内管理根本特性的这些 QDs。

当在半导体 nanostructures 的组织工会的始发地的首席概念是热力学不稳定性时,在最近几年期间新颖的示例建议,是指运动参数和能垒的主角基本扩散。 热力学稳定性,即是其中一个在物理的最普遍存在的概念,不解释在典型的试验条件下被观察的一定数量的实际和化工属性,包括张力和基本配置文件。 2

要达到热力学稳定性所有材料在和在三维 nanostructures 附近内应该持续大量重新整理和了不起的许多竞争配置。 然而这由基本扩散和替换的能垒阻碍。 在典型的试验条件下,有在表面扩散和批量项目货签扩散的概率的之间大失配。2

实际上,表面扩散证明非常迅速和由布朗运动 (任意移动) 根本管理和由表面的热力学横向部分地只处理。

相反批量扩散是微不足道的,即在这块最上面的基本层下的原子冻结,当覆盖由新的原子。 而且,当即温度在证言,包括范围和形状统计数据时的这个范例的整体配置以后熄灭,张力和 QDs 的基本配置文件和相互分隔不能经过重大的演变,产生最高的重要性对在增长期间认识到的动态过程。

及早在证言进程中被定义的一个重要功能是发生的三维 nanostructures 的相互位置。 一单个 nanostructure 的生核的概率增加与可用的原子的局部浓度,扩散和成群可能生成稳定的中坚力量。

当一个中坚力量看上去并且开始通过布朗运动,根本驱动的附近的原子获取放大此概率突然下降。3 这解释中坚力量为什么倾向于保持某一距离单独,关联与基本表面扩散长度。4 表面扩散由移动原子获取也斡旋 nanostructure 增长、范围和形状。3

在布朗运动的最简单的做法外,这是在共存的 nanostructures 之间的一个直观竞争进程,藉以接近他们的相互接近度小他们的相对范围。4 范围和形状之间的相关性是一个固定的概念。1 终于,表面扩散确定在 nanostructures,主要功能内的基本配置文件可能再次解释根据布朗运动,锗和硅的另外流动性和其对温度的依赖性。2

在中等温度 () 请说大约 500 摄氏锗的例如流动性高于那硅,造成 Si 原子累计在 nanostructure 边缘和外围5,6 ,而热力学稳定性将要求对面,即 Si 富有的核心和 Ge 富有周围。

当过分简单化时,被描述的这张照片上面是要了解半导体 nanostructures 各自和集体的属性的一个合理的起始时间如被观察在实验数据。 即各种各样另外的热力学要素,包括张力交往 nanostructures 和基体之间,共存的 nanostructures 之间和在各自的 nanostructures 内,可能导致在优先生核站点的定义,范围和形状的质量和模块化调用 (即参见促进增长大在小的 nanostructures) 的 Ostwald 成熟和锗和硅原子替换的有效扰动。

散开的动力和另外的热力学要素可能变得调整由适当的自顶向下干预的综合化,可能被设计和被实施跟上被描述的自发工作情况上面,不可能被抑制。 这是达到与改进的控制的半导体 nanostructures 的一个杂种途径对他们的位置、范围、形状和基本构成。

在此环境 ‘表面提示的’饰物是一个强大的概念7 ,藉以这个基体的初步的修改修改运动和热力学横向在原子和分子表面、因而引导的吸附和扩散。 ‘表面提示的’示例可能是步骤、8 脱臼和化学制品多相性被引入在硅体上在锗证言之前。

总而言之,在最近几年期间有在根本了解的重大的进展,并且 QDs 的制造根据半导体 nanostructures。 当仍有前面时许多关键问题,在根本创新的潜在这些概念后为半导体 nanostructures 的将来的调查提供严格的刺激。


参考

1. F. Rosei, J. Phys。: Cond。 马特。 16, S1373 (2004)。
2. F. Ratto, G. Costantini, A. Rastelli, O.G. 施密特, K. 克恩, F. Rosei, J. Exp. Nanosci。 1, 279 (2006)。
3. M. Fanfoni, M. Tomellini, J. Phys。: Cond。 马特。 17, 571 (2005)。
4. F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S.K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei, Phys。 Lett。 96, 096103 (2006)。
5. G. Katsaros, G. Costantini, M. Stoffel, R. 埃斯特万, A.M. Bittner, A. Rastelli, U. Denker, O.G. 施密特, K. 克恩, Phys。 B 72, 195320 (2005)。
6. F. Ratto, A. Locatelli, S. Fontana, S. Kharrazi, S. Ashtaputre, S.K. Kulkarni, S. Heun, F. Rosei,小 2, 401 (2006)。
7. F. Cicoira, F. Rosei,海浪。 Sci。 600, 1 (2006)。
8. A. Sgarlata, P.D. Szkutnik, A. Balzarotti, N. Motta, F. Rosei, Appl。 Phys。 Lett。 83, 4002 (2003)。

版权 AZoNano.com,费德里科 Rosei (Universite? du Quebecc) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:09

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