Templated self-assembly of SiGe quantum dots

Dais, Christian; Grützmacher, Detlev

doi:2929

Templated self-assembly of SiGe quantum dots = Wachstum und Charakterisierung von SiGe Quantenpunkten auf vorstrukturierten Si Substraten

Dais, Christian (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Dais

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangIII, 121 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Grützmacher, Detlev (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-08-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-29293
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51291/files/Dais_Christian.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Nanolithographie (Genormte SW) ; Molekularstrahlepitaxie (Genormte SW) ; Synchrotron (Genormte SW) ; Silicium (Genormte SW) ; Germanium (Genormte SW) ; Optische Spektroskopie (Genormte SW) ; Heterostruktur (Genormte SW) ; Villigen / Paul-Scherrer-Institut (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Selbstorganisation (frei) ; extrem ultraviolette Interferenzlithographie (frei) ; Photolumineszensspektroskopie (frei) ; SiGe Quantenpunkte (frei) ; SiGe Quantenpunktkristall (frei) ; extreme ultraviolet interference lithography (frei) ; SiGe quantum dots (frei) ; SiGe quantum dot crystal (frei) ; molecular beam epitaxy (frei) ; self-assembly (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Dissertation behandelt die Herstellung und Charakterisierung von akkurat angeordneten SiGe Quantenpunktstrukturen. Selbstorganisierte SiGe Quantenpunkte wachsen in der Regel willkürlich auf der Si Substratoberfläche auf und besitzen eine breite Grössenverteilung. Für viele Anwendungen ist es jedoch notwendig, dass Nukleationspunkt sowie Grösse der einzelnen Quantenpunkte exakt definiert werden. Dies wird erreicht durch Aufwachsen der Quantenpunkte auf vorstrukturierten Si Substraten. Hierbei kommt es zur bevorzugten Nukleation der SiGe Quantenpunkte innerhalb der durch Lithografie hergestellten Nanolöchern. In dieser Arbeit wurden die vorstrukturierten Si Substrate mittels extem-ultravioletter Interferenzlithografie hergestellt. Hierfür wurde die XIL-Strahllinie am Synchrotron des Paul Scherrer Instituts verwendet. Diese Methode erlaubt die präzise, reproduzierbare und sehr schnelle Herstellung von vorstrukturierten Substraten mit Strukturgrössen von wenigen Nanometern. Für das epitaktische Überwachsen dieser Templates wurde Molekularstrahlenepitaxie und chemische Gasphasenabscheidung verwendet. Es zeigt sich, dass die Nukleation der SiGe Inseln sehr stark von den Lithografieparametern, z.B. Grösse und Periode der Löcher, als auch von den Epitaxieparametern, z.B. Wachstumstemperatur oder abgeschiedene Materialmenge, abhängt. Diese Sachverhalte wurden mit Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und Röntgenbeugung untersucht. Nur für exakt aufeinander abgestimmte Lithografie- und Wachstumsparameter konnten akkurat angeordnete Quantenpunktarrays mit sehr schmaller Grössendispersion hergestellt werden. In dieser Dissertation wurden insbesondere die Quantenpunktarrays mit der bis dato kleinsten Periode (35 nm) und schmallsten Grössendispersion hergestellt. Desweiteren erlauben die Verspannungsfelder die beim überwachsen der Quantenpunkte entstehen die Realisierung von vertikal angeordneten Quantenpunktstapeln. Die Kombination aus lateraler und vertikaler Anordnung erlaubt somit die Herstellung von dreidimensionalen Quantenpunktkristallen. Die untersuchten SiGe Inseln haben eine Typ II Bandanordnung, d.h. Löcher befinden sich innerhalb des Quantenpunktes während Elektronen im verspannten Si in der Umgebung des Quantenpunktes eingesperrt sind. Die Rekombinationsenergie dieser indirekten Exzitonen hängt dabei wesentlich von der Grösse, der Ge Konzentration und der Spannungverteilung des Quantenpunktes ab. Es wird gezeigt, dass sich die strukturelle Homogenität der hergestellten SiGe Inseln in ihren optischen Eigenschaften widerspiegelt. Photolumineszensspektren von den strukturell nahezu identischen Quantenpunkten weisen viel schmallere Emissionslinien auf als wie sie üblicherweise von selbstorganisierten SiGe Quantenpunkten beobachtet werden. Sogar eine Unterscheidung in no-Phonon Linie und transversal optischer Phonon Linie ist möglich. Die Energie dieser schmallen Lumineszenslinien lässt sich verschieben durch Variation der Quantenpunktgrösse, -periode und Menge der Ge Abscheidung. Bandstruktursimulationen zeigen, dass die Elektronenzustände der Quantenpunktkristalle in vertikaler Richtung miteinander koppeln. Für Quantenpunktkristalle mit einer lateralen Periode von 35 nm wird sogar eine elektronische Kopplung in allen drei Raumdimensionen berechnet. Dies zeigt, dass die realisierte dreidimensionale Quantenpunktanordnung nicht nur vom strukturellen sondern auch vom elektronischen Gesichstpunkt einen SiGe Quantenpunktkristall repräsentiert.

This PhD thesis reports on the fabrication and characterization of exact aligned SiGe quantum dot structures. In general, SiGe quantum dots which nucleate via the Stranski-Krastanov growth mode exhibit broad size dispersion and nucleate randomly on the surface. However, to tap the full potential of SiGe quantum dots it is necessary to control the positioning and size of the dots on a nanometer length, e.g. for electronically addressing of individual dots. This can be realized by so-called templated self-assembly, which combines top-down lithography with bottom-up self-assembly. In this process the lithographically defined pits serve as pre-defined nucleation points for the epitaxially grown quantum dots. In this thesis, extreme ultra-violet interference lithography at a wavelength of 13.4 nm is employed for pre-patterning of the Si substrates. This technique allows the precise and fast fabrication of high-resolution templates with a high degree of reproducibility. The subsequent epitaxial deposition is either performed by molecular beam epitaxy or low-pressure chemical vapour deposition. It will be shown that the dot nucleation on pre-patterned substrates depends strongly on the lithography parameters, e.g. size and periodicity of the pits, as well as on the epitaxy parameters, e.g. growth temperature or material coverage. The interrelations are carefully analyzed by means of scanning force microscopy, transmission electron microscopy and x-ray diffraction measurements. Provided that correct template and overgrowth parameters are chosen, perfectly aligned and uniform SiGe quantum dot arrays of different period, size as well as symmetry are created. In particular, the quantum dot arrays with the so far smallest period (35 nm) and smallest size dispersion are fabricated in this thesis. Furthermore, the strain fields of the underlying quantum dots allow the fabrication of vertically aligned quantum dot stacks. Combining lateral and vertical dot alignment results in three-dimensional quantum dot crystals. The analyzed SiGe quantum dots have a type II band alignment, with holes confined in the dots and electrons confined in the strained Si in the surrounding of the dots. The recombination energy of these indirect excitons depends on size, Ge content and strain distribution of the quantum dots. It will be shown that the structural uniformity of the created quantum dot structures is reflected in their optical properties, resulting in a narrow and stable photoluminescence emission with well separated no-phonon and transversal optical phonon lines. The narrow dot luminescence can be shifted by varying Ge coverage, dot size or dot period. Furthermore excitation-power dependent and temperature dependent photoluminescence measurements are discussed. Band structure calculations indicate that the electronic states of the quantum dot crystals are electronically coupled at least in vertical direction. For the quantum dot crystal with a lateral period of 35 nm even a coupling in all three dimensions is calculated. Thus, the three-dimensional dot arrangement represents not only from the structural but also from the electronic point of view an artificial crystal.

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