Influence of the step properties on submonolayer growth of Ge and Si at the Si(111) surface

Romanyuk, Konstantin; Voigtländer, Bert

doi:29478

Influence of the step properties on submonolayer growth of Ge and Si at the Si(111) surface = Einfluss von Stufeneigenschaften auf das Submonolagen-Wachstum von Ge und Si auf Si(111)-Oberflächen

Romanyuk, Konstantin (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Konstantin Romanyuk

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

Umfang167 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-10-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-29840
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51449/files/Romanyuk_Konstantin.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Silicium (Genormte SW) ; Germanium (Genormte SW) ; Epitaxie (Genormte SW) ; Oberfläche (Genormte SW) ; Wachstum (Genormte SW) ; Symmetrie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Oberflächen (frei) ; Oberflächenrekonstruktion (frei) ; Silicon (frei) ; germanium (frei) ; surface (frei) ; growth (frei) ; symmetry (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschreibt experimentelle Untersuchungen des Einflusses von Stufeneigenschaften auf das Submonolagewachstum von zweidimensionalen Germanium- und Siliziuminseln auf der Si(111) Oberfläche. Insbesondere wurde der Einfluss der Stufeneigenschaften auf die Morphologie, Form und Stabilität von zweidimensionalen SiGe Nanostrukturen untersucht. Die Untersuchungen der Morphologie und zur chemischen Zusammensetzung der Nanostrukturen wurde mit der Methode der Rastertunnelmikroskopie (STM) durchgeführt. Es wurde die Herstellung von regelmäßig angeordneten und gleichmäßig breiten Ge Nanodrähten auf regelmäßig gestuften kinkenfreien Si Substraten erreicht. Kristalline Ge Nanodrähte mit minimaler Kinkendichte wurden mit Bi surfactantvermittelter Epitaxie hergestellt. Die Ge Nanodrähte haben Längen von über einem Mikrometer und Breiten von 4 nm. Um geeignete Wachstumsbedingungen für die Bildung der Nanodrähte zu erreichen, wurde eine modifizierte Form der surfactantvermittelten Epitaxie entwickelt. Eine Verringerung der Surfactantbedeckung auf den Terrassen und/oder an den Stufenkanten verändert die Wachstumsbedingungen auf eine geeignete Weise indem die Passivierung an den Stufenkanten verändert wird. Eine Analyse der Inseldichten zeigt, dass die Bi Passivierung der Stufenkanten unabhängig durch die Temperatur und die Bi Rate eingestellt werden kann. Die Inselgrößenverteilungen für Si und Ge Inseln zeigen ein unterschiedliches skalierungsverhalten für eine unterschiedliche Bi Passivierung der Stufenkanten. Bevorzugte Stufenrichtungen und veränderte Inselformen können auf eine unterschiedliche Stufenpassivierung zurückgeführt werden. Die Symmetrie der beobachteten Inselformen weicht zum Teil von der Symmetrie des unterliegenden Substrats ab. Eine Analyse der Symmetrie des Gesamtsystems von rekonstruierter Insel und rekonstruiertem Substrat ist notwendig um die Inselformen vorherzusagen. Pfeilförmige und rhombische zweidimensionale Inseln, die die dreizählige Symmetrie des unterliegenden Substrates brechen, wurden beobachtet. Diese Symmetriebrechung wird aufgrund einer gegenseitigen Verschiebung der Rekonstruktionen durch das unterliegende Diamantgitter verursacht. Die kinematische Wulff Konstruktion wird benutzt, um aus der Inselform die kinetischen Eigenschaften (Stufengeschwindigkeiten) zu bestimmen. Dazu wurde der Nukleationspunkt der Inseln mit einer Markertechnik bestimmt. Die Bildung von zweidimensionalen Leerstelleninseln mit einem Durchmesser von 2 – 30 nm in Ge Nanodrähten ist ein Beispiel für eine Instabilität der zweidimensionalen Nanostrukturen. Die unerwartete Bildung von Leerstelleninseln wird durch eine energetisch begünstigte Bewegung von Ge Atomen aus den Nanodrähten zu siliziumbedeckten Stufenkanten hin bewirkt. Dieser Prozess wird gefolgt von einer entropiegetriebenen Durchmischung von Si/Ge, die die teilweise Si terminierten Stufenkanten widerherstellt und so einen neuen Zyklus der energiegetriebenen Entstehung der Leerstelleninseln ermöglicht. Die Bildung der Leerstelleninseln kann auch zur Herstellung von 8 nm breiten GeSi Nanostreifen genutzt werden.

The present work describes an experimental investigation of the influence of the step properties on the submonolayer growth at the Si(111) surface. In particular the influence of step properties on the morphology, shape and structural stability of 2D Si/Ge nanostructures was explored. Visualization, morphology and composition measurements of the 2D SiGe nanostructures were carried out by scanning tunneling microscopy (STM). The formation of Ge nanowire arrays on highly ordered kink-free Si stepped surfaces is demonstrated. The crystalline nanowires with minimal kink densities were grown using Bi surfactant mediated epitaxy. The nanowires extend over lengths larger than 1 µm have a width of 4 nm. To achieve the desired growth conditions for the formation of such nanowire arrays, a modified variant of surfactant mediated epitaxy was explored. It was shown that controlling the surfactant coverage at the surface and/or at step edges modifies the growth properties of surface steps in a decisive way. The surfactant coverage at step edges can be associated with Bi passivation of the step edges. The analysis of island size distributions showed that the step edge passivation can be tuned independently by substrate temperature and by Bi rate deposition. The measurements of the island size distributions for Si and Ge in surfactant mediated growth reveal different scaling functions for different Bi deposition rates on Bi terminated Si(111) surface. The scaling function changes also with temperature. The main mechanism, which results in the difference of the scaling functions can be revealed with data of Kinetic Monte-Carlo simulations. According to the data of the Si island size distributions at different growth temperatures and different Bi deposition rates the change of SiGe island shape and preferred step directions were attributed to the change of the step edge passivation. It was shown that the change of the step edge passivation is followed by a change of the preferred steps direction resulting into different islands shapes. The symmetry of the properties of the different step directions can determine the symmetry of the 2D islands. The growth shape of reconstructed 2D islands (nanostructures) on reconstructed surfaces can deviate from the internal symmetry of the substrate and the island. An analysis of the symmetry of the combined system of reconstructed substrate and island can deduce predictions for the island growth shape. It was found experimentally that the shape of two-dimensional (2D) Si or Ge islands has a lower symmetry than the threefold symmetry of the underlying Si(111) substrate if Bi is used as a surfactant during growth. Arrow-shaped or rhomb-shaped 2D islands were observed by scanning tunneling microscopy. This symmetry breaking was explained by a mutual shift between the surface reconstructions present on the substrate and on the islands. The mutual shift results into different step structure for initially symmetry related step directions. Using the kinematic Wulff construction the growth velocities of the steps could be determined from the island shape if the nucleation center had been located by a marker technique. The structural stability of 2D SiGe nanostructures was studied by scanning tunneling microscopy (STM). The formation of pits with a diameter of 2–30 nm in one atomic layer thick Ge stripes was observed. The unanticipated pit formation occurs due to an energetically driven motion of the Ge atoms out of the Ge stripe towards the Si terminated step edge followed by an entropy driven GeSi intermixing at the step edge. The pit formation can be also used for nanostructuring. Using conditions at which pit formation is enhanced the fabrication of freestanding GeSi stipes with single digit nanometer width is possible. Continuous ~ 8 nm wide freestanding GeSi wires have been fabricated by pit coalescence.

Fulltext:
PDF