Wachstum von dreidimensionalen Germaniuminseln auf unverspannten und verspannten Silizium(001)-Oberflächen

Sulzberger, Markus; Voigtländer, Bert

doi:630

Wachstum von dreidimensionalen Germaniuminseln auf unverspannten und verspannten Silizium(001)-Oberflächen

Sulzberger, Markus (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Sulzberger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangIII, 163 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Voigtländer, Bert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-07-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6303
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/58972/files/Sulzberger_Markus.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Silicium (Genormte SW) ; Kristallfläche (Genormte SW) ; Germanium (Genormte SW) ; Inselschicht (Genormte SW) ; Heteroepitaxie (Genormte SW) ; Physik (frei) ; Si (frei) ; Ge (frei) ; SiGe (frei) ; Epitaxie (frei) ; Heteroepitaxie (frei) ; MBE (frei) ; RTM (frei) ; STM (frei) ; UHV (frei) ; SEM (frei) ; Versetzungen (frei) ; Oxiddesorption (frei) ; Hut Cluster (frei) ; Dome Cluster (frei) ; Pits (frei) ; Ostwald (frei) ; Wachstum (frei) ; Ger (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wird der Einfluß von Verspannung und Relaxation auf das epitaktische Wachstum von Germanium auf unverspannten Si-Substraten, sowie auf SiGe-Substraten mit verspannter Si-Deckschicht, mit dem Rastertunnelmikroskop, untersucht. Aus der Perspektive einer Anwendung z.B. als Quantenpunktstrukturen ist es wünschenswert, räumlich geordnete, kleine Inseln mit hoher Dichte, einheitlicher Größe und Orientierung zu erzielen. Alle Anforderungen, mit Ausnahme der räumlichen Ordnung, konnten durch geeignete Wahl der Epitaxieparameter beim Wachstum von Germanium auf unverspannten Silizium (001)-Substraten erfüllt werden. Beim Wachstum von Germanium auf Silizium wurde festgestellt, daß die Gitterkonstante einen entscheidenden Einfluß auf die Nukleation hat. Deshalb wurde untersucht, ob sich eine räumliche Ordnung durch die Variation der Gitterkonstante an der Oberfläche erzielen läßt. Besonders gut geeignet sind Silizium-Germanium-Substrate mit einstellbarer räumlicher Variation der Gitterkonstante und einstellbarer Dichte an Versetzungen. Mit jeder Versetzung ist ein Verspannungsfeld verbunden, das in eine Variation der Gitterkonstante an der Oberfläche, sowie Stufen umgesetzt wird. Bislang war ungeklärt, wo die Nukleation von Germanium-Inseln stattfindet. Erfolgt sie an den versetzungsbedingten Stufen oder an jenen Positionen an denen die Si-Deckschicht durch das unterliegende Versetzungsnetzwerk gedehnt ist? Es konnte gezeigt werden, daß die einzige Quelle für die Ordnung bei der Inselverteilung im Fall der vorgestellten SiGe-Schichten die uneinheitliche Verspannung in der Wachtumsebene ist. Die Nukleation erfolgt an den Stellen, an welchen die Gitterkonstante der gedehnten Si-Deckschicht der natürlichen Gitterkonstante des aufgedampften Germaniums am ähnlichsten ist. Ein Einfluß von Versetzungsstufen konnte ausgeschlossen werden. Mit Temperexperimenten wurde untersucht, wie sich die Form, Größe und Anordnung in Abhängigkeit von der Temperdauer entwickeln, um zu ermitteln welche Prozesse Wachstum und Reifung beherrschen. Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß das selbstorganisierte Wachstum von Germanium-Inseln auf SiGe-Substraten ein geeignetes Verfahren ist, um räumlich geordnete Nanostrukturen mit definierter Größe und Form bei einstellbaren Abständen und Dichten herzustellen.

This thesis is dedicated to the scanning tunneling microscopical investigation of the influence of strain and relaxation on the epitaxial growth of germanium on conventional silicon substrates, as well as on silicon-germanium substrates covered by a strained silicon layer. With respect to a possible application e.g. as quantum dots, it is desirable to achieve a high density of spatially ordered, small islands, with uniform shape and orientation. This requirements could be met by suitable choice of the epitxial parameter during growth of germanium on conventional silicon (001)-substrates, except for the spatial ordering. The lattice misfit has a fundamental influence on the nucleation of germanium on silicon surfaces. Therefore it has been investigated, if it is possible to achieve a spatial arrangement of islands due to the variation of the surface lattice constant. Silicon-germanium substrates have an adjustable spatial variation of the lattice constant and dislocation density. Each dislocation is connected with a strain field that results in a variation of the lattice constant and a slip step at the surface. Up to now it was in question where the nucleation of germanium islands takes place. Does the nucleation take place at the slip-steps due to the dislocations or at the positions where the silicon cap layer is strained due to the underlying dislocation network? It could be proved that the only reason for the spatial ordering of the islands is the variation of the strain in the growth area. The islands nucleate at the positions, where the lattice constant of the strained silicon cap layer is similar to the natural lattice constant of germanium. An influence of dislocation slip-steps could be excluded. To find out which processes dominate growth process and ripening, temper experiments have been used, to investigate how shape, size and spatial ordering develop in dependence to the duration of the temper process. In summary it might be said, that the selforganized growth of germanium islands is a suitable process to achieve spatially ordered nanostructures, with well defined size, shape and adjustable distances and density.

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