擴散和 Interdiffusion 在半導體 Nanostructures 綜合

由費德里科 Rosei 教授

富爾維奧 Ratto, Istituto di Fisica Applicata 「內洛卡拉拉」和費德里科 Rosei, Institut National de la Recherche Scientifique 教授
對應的作者: rosei@emt.inrs.ca

半導體 nanostructures 在最後二十年期間廣泛地被學習了。 在適當的處理條件下,異種連接點的製造區別半導體材料之間的導致到與側向維數的三維 nanostructures 在 1-100 毫微米長度縮放比例。 一個值得注意的示例是第IV組半導體盒例如硅 (Si)和鍺 (Ge)。

Ge 的證言在 Si 基體的厚實一些塊基本的層導致一高密度 nanostructure 的組織工會與實際和化工屬性的不同對他們相鄰的環境。 例如,他們的電子工作情況一奇怪性格是這個能力捕捉分離相當數量相反的充電 (電子和電子空穴),類似於自然原子盒。 結果,這些 nanostructures 經常被稱為 『數量加點』 (QDs) 和 『人為原子』。 同樣,在 QDs 內功能結構的相互交往可能提升分子和水晶人為類似物,導致新的機會全部。

QDs 的潛在的應用是極大的。 使用 QDs 可能施加最高衝擊的技術域在科技目前進步水平半導體製造進程中包括發光二極管 (LED) 和激光技術、唯一光子來源、新的晶體管、細胞自動機和數量計算機、先進的催化劑、光致電壓的設備、環境和生物醫學的診斷、想像和治療學,特別是 biosensing 等等,進程的發展與硅技術兼容暫掛在 QDs 的立即綜合化的潛在。

鍺/硅 nanostructures 的製造使用這個自下向上途徑的能成為認識到列陣的一個可行選擇外延地增長的 QDs。 這個樣本實驗包括介入鍺原子的緩慢的證言在硅體的 (即分成幾部分 monatomic 層每秒),可能用各種各樣的化學製品和實際方法認識到已經在使用中在半導體處理。

在高溫, Ge 原子複製 Si 基體的晶格幾何,由於在這些要素之間的相似性。 然而 Ge 的格子參數大於那約為 4% Si,導致額外的張力累計在這個異種界面。

在有些厚度之外,自發結構干預完成此張力的部分放鬆。 這些結構之一是坎坷的創建,根本地導致三維 nanostructures 誕生。 其他結構包括不稱職脫臼的生核和交互混合 Ge 和 Si 原子,減少有效格子配錯在這個界面。 幾何,張力和基本配置文件在和在三維 nanostructures 附近內管理根本特性的這些 QDs。

當在半導體 nanostructures 的組織工會的始發地的首席概念是熱力學不穩定性時,在最近幾年期間新穎的示例建議,是指運動參數和能壘的主角基本擴散。 熱力學穩定性,即是其中一個在物理的最普遍存在的概念,不解釋在典型的試驗條件下被觀察的一定數量的實際和化工屬性,包括張力和基本配置文件。 2

要達到熱力學穩定性所有材料在和在三維 nanostructures 附近內應該持續大量重新整理和了不起的許多競爭配置。 然而這由基本擴散和替換的能壘阻礙。 在典型的試驗條件下,有在表面擴散和批量項目貨簽擴散的概率的之間大失配。2

實際上,表面擴散證明非常迅速和由布朗運動 (任意移動) 根本管理和由表面的熱力學橫向部分地只處理。

相反批量擴散是微不足道的,即在這塊最上面的基本層下的原子凍結,當覆蓋由新的原子。 而且,當即溫度在證言,包括範圍和形狀統計數據時的這個範例的整體配置以後熄滅,張力和 QDs 的基本配置文件和相互分隔不能經過重大的演變,產生最高的重要性對在增長期間認識到的動態過程。

及早在證言進程中被定義的一個重要功能是發生的三維 nanostructures 的相互位置。 一單個 nanostructure 的生核的概率增加與可用的原子的局部濃度,擴散和成群可能生成穩定的中堅力量。

當一個中堅力量看上去并且開始通過布朗運動,根本驅動的附近的原子獲取放大此概率突然下降。3 這解釋中堅力量為什麼傾向於保持某一距離單獨,關聯與基本表面擴散長度。4 表面擴散由移動原子獲取也斡旋 nanostructure 增長、範圍和形狀。3

在布朗運動的最簡單的做法外,這是在共存的 nanostructures 之間的一個直觀競爭進程,藉以接近他們的相互接近度小他們的相對範圍。4 範圍和形狀之間的相關性是一個固定的概念。1 終於,表面擴散確定在 nanostructures,主要功能內的基本配置文件可能再次解釋根據布朗運動,鍺和硅的另外流動性和其對溫度的依賴性。2

在中等溫度 () 请說大約 500 攝氏鍺的例如流動性高於那硅,造成 Si 原子累計在 nanostructure 邊緣和外圍5,6 ,而熱力學穩定性將要求對面,即 Si 富有的核心和 Ge 富有周圍。

當過分簡單化時,被描述的這張照片上面是要瞭解半導體 nanostructures 各自和集體的屬性的一個合理的起始時間如被觀察在實驗數據。 即各種各樣另外的熱力學要素,包括張力交往 nanostructures 和基體之間,共存的 nanostructures 之間和在各自的 nanostructures 內,可能導致在優先生核站點的定義,範圍和形狀的質量和模塊化調用 (即參見促進增長大在小的 nanostructures) 的 Ostwald 成熟和鍺和硅原子替換的有效擾動。

散開的動力和另外的熱力學要素可能變得調整由適當的自頂向下干預的綜合化,可能被設計和被實施跟上被描述的自發工作情況上面,不可能被抑制。 這是達到與改進的控制的半導體 nanostructures 的一個雜種途徑對他們的位置、範圍、形狀和基本構成。

在此環境 『表面提示的』飾物是一個強大的概念7 ,藉以這個基體的初步的修改修改運動和熱力學橫向在原子和分子表面、因而引導的吸附和擴散。 『表面提示的』示例可能是步驟、8 脫臼和化學製品多相性被引入在硅體上在鍺證言之前。

總而言之,在最近幾年期間有在根本瞭解的重大的進展,并且 QDs 的製造根據半導體 nanostructures。 當仍有前面時許多關鍵問題,在根本創新的潛在這些概念後為半導體 nanostructures 的將來的調查提供嚴格的刺激。


參考

1. F. Rosei, J. Phys。: Cond。 馬特。 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。 馬特。 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. 埃斯特萬, 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)。

版權 AZoNano.com,費德里科 Rosei (Universite? du Quebecc) 教授

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

Last Update: 14. June 2013 01:12

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