Herstellung und Charakterisierung geordneter Ge-Nanostrukturen auf Si-Substraten durch Adsorbat-modifiziertes Wachstum

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Falta
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2001 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5346342

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Herstellung von Germanium-Nanostrukturen auf Silizium-Substraten stellt ein vielversprechendes Verfahren zur Realisation neuartiger elektronischer und opto-eletronischer Bauelemente dar. Durch selbstorganisierte Wachstumprozesse kann – im Gegensatz etwa zur lithographischen Prozessierung – die Herstellung solcher Strukturen praktisch uneingeschränkt skaliert werden. Allerdings verläuft das selbstorganisierte Wachstum im Gegensatz zur Epitaxie auf artifiziell vorstrukturierten Substraten in der Regel weniger geordnet. In diesem Projekt wurde der Ansatz erfolgt, durch (selbstorganisierte) Adsorbat-induzierte Vorstrukturierung der Si-Substratoberfläche die Selektivität des Ge-Wachstums in Bezug auf die Form der Ge-Nanostrukturen sowie auf ihre Abstands- und Größenverteilung zu erhöhen. Gegenstand des Projekts waren grundlegende Untersuchungen zur Morphologie und Struktur solcher Adsorbat-modifizierten Substratoberflächen und darauf gewachsener Ge-Inseln, wobei verschiedene Adsorbate (Gruppe-III-Elemente und Silber) und kristallographische Orientierungen des Substrats – neben Si(111) und Si(113) auch die zu beiden Orienterungen vizinale Si(112)-Oberfläche – kombiniert wurden. Durch die Adsorption von Gallium auf Si(113) kann eine regelmäßige Facettierung des Substrats in (112)- und (115)-Facetten erreicht werden. Ob diese Vorstrukturierung in geordnete Ge-Strukturen übertragen werden kann, hängt u. a. von der Breite der Facetten ab. Diese stellt sich als diffusionslimiert heraus, kann also durch die Adsorptionstemperatur gesteuert werden. Als weitere Gruppe-III-Elemente wurden auch Indium und Aluminium untersucht. Während durch Adsorption von In auf Si(113) keine Facettierung erreicht werden kann, verhält sich Al sehr ähnlich zu Ga, sowohl was die Orientierung der Facetten als auch ihre Oberflächenrekonstruktionen angeht. Die Adsorption von Ga und auch die von In auf Si(112) führt zur Defacettierung der intrisisch instabilen Si(112)-Oberfläche und zur Ausbildung von Ñ ×1-Rekonstruktionen. Die mittlere Periodizität Ñ kann jeweils über die Temperatur eingestellt werden, was im Rahmen eines Fehlstellen-Modells erklärt wird. Dabei ist es gelungen, zwischen zwei in der Literatur vorgeschlagenen Strukturmodellen für Ga/Si(112) klar zu differenzieren und erstmals ein auf strukturelle experimentelle Daten fundiertes Modell für In/Si(112) aufzustellen. Das Ge-Wachstum auf der In- und der Ga-terminierten Si(112)-Oberfläche führt zu anisotropen Ge-Inseln, die entlang der [1¯10]-Richtung ausgedehnt sind, wobei eine stärkere Anisotropie und eine homogenere Größen- und Abstandsverteilung im Falle von Ga-terminierten Si(112)-Substraten nachgewiesen wird. Die bevorzugte Orientierung der Seitenfacetten solcher Ge-Drähte ist (111) und (115); durch regelmäßig angeordnete grenzflächennahe Versetzungen sind diese (partiell) relaxiert. Als weitereres Adsorbat wurde Silber untersucht, das sich aufgrund der fehlenden Silizidbildung und der geringen Volumenlöslichkeit in Si und Ge als Wachstumskatalysator anbietet. Auf Si(113) und Si(112) verhält sich Silber ähnlich zu Ga/Si(113): Ag-Adsorption führt zur regelmäßigen Facettierung des Substrats, was zum Wachstum von drahtartigen Ge-Nanostrukturen ausgenutzt werden kann, wenn auch bisher die parasitäre Bildung von kompakten Inseln noch nicht unterdrückt werden konnte. Der Einfluss auf das Ge-Wachstum auf Si(111) ist bei Ag jedoch ganz anders als bei Ga. Zwar können sowohl mit Ga als auch mit Ag die Substratstufenkanten gezielt dekoriert werden, aber nur im Falle von Ga kann dies zum heterogenen, selektiven Wachstum von Ge-Inseln ausgenutzt werden. Bei vollständiger Ag-Passivierung der Si(111)-Oberfläche ist gar ein filmartiges Ge-Wachstum zu beobachten. Dabei sind allerdings recht hohe Ge-Schichtdicken notwendig (im Bereich von etwa 30 nm), um einen geschlossenen Film zu erreichen, und schon bei relativ moderaten Temperaturen um 500 °C ist eine signifikante Si/Ge-Durchmischung zu beobachten, was dieses System für Anwendungen, die eine möglichst scharfe Grenzfläche verlangen, weniger geeignet erscheinen lassen. Auch die relativ hohen Stapelfehlerdichten selbst bei relativ hohen Temperaturen um 600 °C werden elektronischen Anwendungen wohl im Wege stehen. Vielversprechender für zukünftige Untersuchungen scheint zum einen das Ge-Wachstum auf Al/Si(113) zu sein, wo auf Grund der relativ breiten Facetten eine gute räumliche Korrelation der Ge-Inseln zu erwarten ist und wegen der hohen Desorptionstemperatur des Al auch höhere Ge-Wachstumstemperaturen möglich sind, was eine hohe strukturelle Qualität des Ge in Aussicht stellt; allerdings dürfte hier interessant sein, inwiefern sich der Einbau des Al und die damit verbundene Dotierung in Grenzen halten lassen. Zum anderen scheinen auch weitere Untersuchungen zum Wachstum auf Ga/Si(112) interessant, wo Nanodrähte mit hoher räumlicher Korrelation und recht monodisperser Größenverteilung schon bei Temperaturen um 400◦ C zu beobachten, die Ursachen für diese Korrelation aber noch unklar sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• ‘Real-time low-energy electron microscopy study of Ga adsorption and facet array formation on Si(113)’. e-J. Surf. Sci. Nanotech. 3 379–383 (2005)
  T. Clausen, Th. Schmidt, J. I. Flege, J. Falta, A. Locatelli, T. O. Menteş, S. Heun, and F. Z. Guo
  
• ‘Self-organized 2D nanopatterns after low-coverage Ga adsorption on Si(111)’. New J. Phys. 7 193-(1–11) (2005)
  Th. Schmidt, S. Gangopadhyay, J. I. Flege, T. Clausen, A. Locatelli, S. Heun, and J. Falta
  
• ‘Surfactant-mediated epitaxy of Ge on Si(111): Beyond the surface’. Appl. Phys. Lett. 86 111910-(1–3) (2005)
  Th. Schmidt, R. Kröger, T. Clausen, J. Falta, A. Janzen, M. Kammler, P. Kury, P. Zahl, and M. Horn-von Hoegen
  
• ‘Less strain energy despite fewer misfit dislocations: The impact of ordering’. Phys. Rev. Lett. 96 066101-(1–4) (2006)
  Th. Schmidt, R. Kröger, J. I. Flege, T. Clausen, J. Falta, A. Janzen, P. Zahl, P. Kury, M. Kammler, and M. Horn-von Hoegen
  
• ‘Sb surfactant-mediated epitaxy of Ge on Si(113) studied by AFM, SEM and GIXRD’. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 901E Ra12-06.1–6 (2006)
  T. Clausen, J. I. Flege, Th. Schmidt, and J. Falta
  
• ‘Temperature dependent low energy electron microscopy study of Ge growth on Si(113)’. Appl. Surf. Sci. 252 5321–5325 (2006)
  T. Clausen, Th. Schmidt, J. I. Flege, A. Locatelli, T. O. Menteş, S. Heun, F. Z. Guo, and J. Falta
  
• ‘Adsorbate induced self-ordering of germanium nanoislands on Si(113)’. New J. Phys. 9 392-(1–13) (2007)
  Th. Schmidt, T. Clausen, J. I. Flege, S. Gangopadhyay, A. Locatelli, T. O. Menteş, F. Z. Guo, S. Heun, and J. Falta
  
• ‘Alignment of Ge nanoislands on Si(111) by Ga-induced substrate self-patterning’. Phys. Rev. Lett. 98 066104-(1–4) (2007)
  Th. Schmidt, J. I. Flege, S. Gangopadhyay, T. Clausen, A. Locatelli, S. Heun, and J. Falta
  
• ‘From nanoislands to nanowires: Growth of germanium on gallium-terminated silicon surfaces’. phys. stat. sol. (a) 206 1718–1722 (2009)
  Th. Schmidt, J. I. Flege, M. Speckmann, T. Clausen, S. Gangopadhyay, A. Locatelli, T. O. Menteş, S. Heun, F. Z. Guo, P. Sutter, and J. Falta
  
• ‘Silver: a novel growth catalyst for Ge nanoislands on Si(113)’. phys. stat. sol. RRL 3 305–307 (2009)
  M. Speckmann, Th. Schmidt, A. Locatelli, T. O. Menteş, M. A. Niño, and J. Falta
  
• ‘Temperature dependent low-energy electron microscopy study of Ge island growth on bare and Ga terminated Si(112)’. J. Phys.: Condens. Matter 21 314020-(1–7) (2009)
  M. Speckmann, Th. Schmidt, J. I. Flege, J. T. Sadoswski, P. Sutter, and J. Falta
  
• ‘Ge growth on partially and entirely Ag covered Si(111)’. e-J. Surf. Sci. Nanotechnol. 8 221–226 (2010)
  Th. Schmidt, M. Speckmann, J. Falta, T. O. Menteş, M. A. Niño, and A. Locatelli
  
• ‘Substrate self-patterning’. In: Handbook of Nanophysics: Functional Nanomaterials, K. D. Sattler (ed.), CRC Press (Taylor and Francis), Boca Raton, 2010
  J. Falta and Th. Schmidt
  
• ‘In adsorption on Si(112) and its impact on Ge growth’. IBM J. Res. Dev. 55 11-(1–8) (2011)
  M. Speckmann, Th. Schmidt, J. I. Flege, and J. Falta