Novel SiGe Nanostructures on Vicinal and High-Indexed Silicon Surfaces

Self-assembled semiconductor nanostructures have attracted tremendous interest for fundamental research and applications due to their low-dimensional electronic density of states that can be tuned by size, shape and composition. According to prevailing understanding, their formation is based on the fundamental instability of strained layers against morphological perturbations driven by the addi- tional degrees of freedom provided by the surfaces thus exposed. In practice, the growth evolution is governed by a highly complex interplay between morphology, strain and composition that is strongly influenced by facet and edge energies as well as island-island interactions. These factors all mutually depend on each other and determine not only the overall energetics but also the kinetics of the sys- tem. As a result, even for the simple silicon-germanium model system constituted only of two types of atoms many aspects of growth are still not fully understood and several fundamental questions have remained open. The goal of this project is to clarify the crucial role of negative excess surface energies as well as edge energy contributions in self-assembled structures and to explore the new types of nanomorphologies induced by symmetry breaking on vicinal and high-indexed Si substrate surfaces and on lithograph- ically prepatterned substrate templates. For this purpose, we will combine cutting edge in situ and in vivo scanning tunneling microscopy and synchrotron scattering investigations with advanced theoret- ical modeling beyond current equilibrium approaches. By variable temperature scanning tunneling microscopy, we will record real time movies of growing surfaces that will reveal the nanomorphology evolution in all details. This will be compared to the theoretical predictions, forming a closely- coupled feed-back loop between theory and experiments. Our vision is to establish a powerful tool box for realization of novel nanostructures and architectures of nanowires and quantum dots with controllable shapes and configurations well suited for quantum electronic device applications. Par- ticular focus will be on the formation of one-dimensional nanowires and the realization of coupled nanowire / quantum dot systems. From the experimentally derived and theoretically predicted phase diagrams we will elucidate the critical role of facet and edge energies as well as of finite temperature and entropy effects that have been largely neglected in previous studies. This will significantly ad- vance the prevailing understanding of nucleation and growth of faceted surface nanostructures, fill- ing the gap between zero temperature equilibrium effects and kinetics. This will be applicable to a wide range of material systems. Beyond these goals, the obtained new types of nanostructures will open up new degrees of freedom in control, design, geometrical shaping and assembly of such struc- tures in novel architectures for nanoelectronic device applications.

Selbst-organisierte Halbleiter-Nanostrukturen sind von herausragendem Interesse für die Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen in quantenelektronischen Bauelementen. Dies beruht auf der Quantisierung der elektronischen Zustandsdichte in Nanostrukturen, welche durch deren Form, Größe und Zusammensetzung eingestellt werden kann. Der zugrunde liegende Wachstumsprozess beruht auf der fundamentalen Instabilität von verspannten epitaktischen Schichten auf einkristallinen Substraten, welche zur spontanen Ausbildung von dreidimensionalen Nanostrukturen führt. Die tatsächliche Evolution der Morphologie wird dabei durch ein äußerst komplexes Wechselspiel von Topographie, Grenzflächen, Oberfläche als auch Kantenenergien bestimmt. Diese hängen wechselseitig voneinander ab und bestimmen nicht nur die Energetik, sondern auch die Kinetik des Systems. Erstmalig wurde in diesem Projekt in vivo Rastertunnelmikroskopie und Synchrotronstrahlung an Europäischen Großforschungseinrichtungen genutzt, um die Wachstumsdynamik von Nanostrukturen auf verschiedenen Substratoberflächen in Echtzeit unter realistischen Wachstums- und Temperbedingungen zu untersuchen. Insbesondere wurde bestimmt, wie sich durch Symmetriebrechung an verkippten und hochindizierten Substraten neuartige Nanostrukturen mit verschiedenen Nanogeometrien realisieren lassen, und welche Mechanismen dabei zu Grunde liegen. Facettierte Germanium Nanodrähte wurden auf perfekt orientierten Silizium (001) Substraten erzeugt, mit mehreren hundert Nanometer Längen aber Querschnitten von nur 2 - 20 nm. Durch Variation der Herstellungsbedingungen erhält man entweder einzelne Nanodrähte oder Bündel, wobei mittels detaillierten Rastertunnelmikroskopie Untersuchungen dafür die kritischen Parameter bestimmt wurde. Dabei wurden STM "Filme" aufgenommen die die zeitliche Entwicklungen der Nanodrähte für das Wachstum als auch für das Schrumpfen wiedergeben. Die Resultate bestimmen die Stabilität der Nanodrähte als Funktion der Größe, was durch Untersuchung von asymmetrischen Nanodrähten bestätigt wurde. Auf sehr stark verkippten Silizium Substraten wurde damit ein völlig neuer Wachstumsmodus entdeckt, der gut geordneten Nanogitter erzeugt, deren Periodizität, Geometrie und Größe deterministisch durch die Schichtdicke und Substratorientierung eingestellt werden kann. Eine überraschende Eigenschaft dieser Nanogitter ist dass sie vollständig reversible sind, d.h., durch Tempern vollständig gelöscht aber auch wiederhergestellt werden können. Dieses herausragende Verhalten konnte durch Entropieeffekte, die durch die hohe Stufendichte auf verkippten Oberflächen hervorgerufen wird, erklärt werden. Die damit abgeleiteten Wachstumsmodelle sind für viele anderen Wachstumssysteme anwendbar. Damit werden neue Wege für die kontrollierte Herstellung von neuartigen Nanostrukturen aufgezeigt, die für technologische Anwendungen von Interesse sind.