STM Untersuchung von ortskontrollierten SiGe Nanoinseln

Das selbst-organisierte Wachstum von drei-dimensionalen Nanoinseln ist eine wichtige Methode zur direkten Herstellung von Halbleiter-Nanostrukturen. Diese sind von großem Interesse nicht nur wegen ihrer neuartigen physikalischen Eigenschaften, sondern auch wegen ihres großen Potentials für elektronische und optoelektronische Bauelemente. Die Herstellung basiert auf der fundamentalen morphologischen Instabilität von gitterverspannten epitaktischen Schichten, was zur spontanen Bildung von 3D Wachstumsinseln führt sobald eine bestimmte kritische Schichtdicke überschritten wird. Nach Einbettung dieser Nanoinseln in ein Matrixmaterial mit größerer Bandlücke erhält man sogenannte Quantenpunkte, welche Atom-ähnliche elektronische und optische Eigenschaften aufweisen. Fortgeschrittene Anwendung von Quantenpunkten erfordern nicht nur einen hohen Grad an Homogenität, sondern auch die Fähigkeit der exakten Positionierung von Quantenpunkten auf großen Substratoberflächen um diese einzeln kontaktieren und adressieren zu können. In diesem Forschungsprojekt soll mittels Rastertunnelmikroskopie unter Ultra-Hochvakuum-bedingungen das Wachstum und die laterale Positionierung von SiGe Nanoinseln auf Si Wafern untersucht werden, welche durch eine Vorstrukturierung der Substrate erreicht wird. Die vorgesehenen Arbeiten umfassen die Herstellung von verschieden nanostrukturierten Substratoberflächen mittels holographischer und Elektronenstrahl-Lithographie und reaktiven Ionenätzen. Anschließend, wird mittels in situ Rastertunnelmikroskopie der Nanoinsel-Wachstumsprozess im Detail untersucht. Das Hauptziel ist dabei die Aufklärung der grundlegenden Mechanismen und der strukturellen Transformationen die in dem ortskontrollierten Wachstumsprozess beteiligt sind. Darüber hinaus soll bestimmt werden, wie die einzelnen Wachstumsparameter, die Geometrie und Dimensionen der lithographischen Strukturen aber auch die Vorreinigung und das Pufferwachstum die Inselbildung beeinflussen. Diese Untersuchungen sollen auch für Si Nanoinseln auf vorstrukturierten SiGe Puffern durchgeführt werden. Die hergestellten Proben werden mittels Röntgenbeugung, Transmissions-elektronenmikroskopie und Photolumineszenz untersucht, um die Anwendbarkeit dieses Verfahrens für die Bauelementerealisierung zu beurteilen.

In diesem Forschungsprojekt wurde das selbst-organisierte Wachstum von Silizium-Germanium Nanoinseln auf lithographisch vorstrukturierten Silizium Substraten untersucht. Solche Nanoinseln bilden nach Einbettung in ein geeignetes Matrixmaterial sogenannte Quantenpunkte aus, in denen Elektronen im Nanometer-Maßstab eingesperrt sind und daher quantisierte Zustände wie in einzelnen Atomen aufweisen. Die resultierenden neuartigen physikalischen Eigenschaften bieten viele Möglichkeiten die für die Realisierung von neuartigen elektronischen Bauelementen die für die Mikroelektronik und Quanten-Informationstechnologie. Die Synthese von solchen Quantenpunkten basiert meist auf dem Wachstum von dünnen Schichten auf Substraten mit unterschiedlichen Atomabständen des Kristallgitters. Dieser Unterschied induziert die spontane Bildung von Nanometer großen Inseln auf der Oberfläche sobald eine bestimmte kritische Schichtdicke überschritten wird. Die praktische Anwendung von Quantenpunkten erfordert allerdings nicht nur einen hohen Grad an Homogenität, sondern auch die Fähigkeit Quantenpunkte exakt auf großen Substratoberflächen zu positionieren um diese einzeln kontaktieren und adressieren zu können und damit komplizierte Bauelement-Architekturen realisieren zu können. In dem Forschungsprojekt wurde die Positionierung durch orts-kontrolliertes Wachstum von Silizium-Germanium Nanoinseln auf Silizium entwickelt und mittels Rastertunnelmikroskopie unter Ultra-Hochvakuumbedingungen untersucht. Diese Untersuchungen von großer technologischer Bedeutung da mehr als 90% aller mikroelektronischen Bauelemente aus Silizium gefertigt werden. Die Ortskontrolle der Nanoinseln wurde mittels einer Vorstrukturierung der Silizium Substrate erreicht, wobei die Vorstrukturierung durch Elektronenstrahllithographie und reaktivem Ionenätzen herstellt wurde. Auf verschiedenen Mustern mit Strukturgrößen zwischen 50 bis 300 Nanometern wurde anschliessend eine Silizium Pufferschicht abgeschieden und darauf einige Atomlagen Germanium aufgewachsen. Schon nach wenigen Atomlagen bilden sich dabei Nanoinsel aus. In dem Forschungsprojekt wurde demonstriert, daß die Oberflächenmorphologie, die sich bei dem Pufferwachstum ausbildet, einen entscheidenenden Einfluss auf das Inselwachstum ausübt und damit bestimmt, an welchem Punkt der Oberfläche Inseln entstehen. Durch mikroskopische Untersuchungen wurde die dabei beteiligten Mechanismen und strukturellen Phasenübergänge aufgeklärt. Insbesondere konnte durch geeignete Wahl der Wachstumsparameter ein kontrolliertes Inselwachstum demonstriert werden, was für weitere technologische Anwendungen von großer Bedeutung sein kann.