Alloying in GeSi:Si (001) epitaxial nanocrystals

Orientador: Gilberto Medeiros RibeiroTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb WataghinResumo: As propriedades estruturais e eletrônicas dos materiais em escala nanométrica dependem fortemente de sua composição química, assim como seu tamanho e forma. Uma variedade de morfologias distintas pode ser formada controlando-se as condições experimentais durante o crescimento epitaxial de Ge sobre um substrato de Si(001). Em particular, ilhas tridimensionais com tamanho e forma bem definidos são formadas para minimizar a energia total do sistema. O trabalho apresentado nesta tese de doutorado consiste no estudo da formação de ligas em ilhas de GeSi:Si(001) cristalinas obtidas via crescimento epitaxial tanto no regime cinético quanto no de quasi-equilíbrio, através da determinação da composição química e dos campos de deformação dessas nanoestruturas. No regime cinético de crescimento investigou-se as moléculas de pontos quânticos (QDMs, do inglês Quantum Dot Molecules), estruturas compostas por uma depressão central com facetas 105 e quatro ilhas alongadas, também com facetas 105 , ao seu redor, formadas a partir de um processo conhecido como nucleação cooperativa. As QDMs foram obtidas por epitaxia de feixe molecular para condições bastante específicas de crescimento: Si0,7 Ge0,3, 550 C e taxa de deposição de 1,0 A/s. A estreita distribuição de tamanhos desse conjunto de ilhas permitiu o mapeamento de sua composição e deformação através da difração de raios-x em incidência rasante (GIXRD, do inglês Grazing Incidence X-Ray Diffraction), apesar da simetria complexa envolvida. A concentração de Ge varia significativamente nessas nanoestruturas e difere consideravelmente da sua composição nominal, atingindo quase 100 % no topo das ilhas, indicando uma redistribuição atômica significativa durante o crescimento, associada a processos de difusão na superfície. Regiões comprimidas e tencionadas foram encontradas nas QDMs e no substrato, em acordo com cálculos de elementos finitos para a relaxação da rede. A formação das ligas em ilhas de GeSi e a influência dos diferentes mecanismos envolvidos foram investigadas para morfologias correspondentes ao regime de quasi-equilíbrio. As forças generalizadas que governam a formação dessas ligas, tensão e gradiente do potencial químico, bem como os potencias termodinâmicos, entalpia, entropia de mistura e energia livre de Gibbs, foram quantitativamente avaliados para um conjunto de amostras de domos obtido por deposição via química. Tratamentos térmicos pós-crescimento em ambientes de H2e de PH3 foram utilizados para fazer-se uma analogia com um sistema aberto e outro fechado do ponto de vista termodinâmico, respectivamente. A entropia de mistura tem uma contribuição bastante significativa para a energia total desses sistemas, prevalecendo sobre a entalpia, associada µas deformações do filme. Há essencialmente três mecanismos envolvidos na formação das ligas de GeSi: a troca de átomos Si/Ge que acontece durante o crescimento, a difusão na superfície e a difusão intra-ilha. A importância relativa entre cada mecanismo foi avaliada através da determinação do perfil de composição para ilhas de Ge:Si(001) em formato de domos mediante um conjunto de ataques químicos seletivos e medidas de GIXRD. Para amostras crescidas a mais alta taxa de deposição a interdifusão foi reduzida. A difusão na superfície do Si dominou durante o tratamento térmico em H2 (sistema aberto), enquanto a difusão do Ge e a difusão intra-ilha prevaleceram durante o tratamento térmico em um ambiente de PH3(sistema fechado no que concerne o Si). Ainda no regime de equilíbrio local, estudou-se a formação de misturas em superdomos: ilhas formadas a partir dos domos, com facetas bem definidas e planos de discordâncias que aliviam as tensões do filme. Essas estruturas desenvolvem-se através do processo de amadurecimento de Ostwald, no qual as ilhas maiores crescem ainda mais µas custas das menores. Em resumo, investigou-se a composição química de diversas morfologias de nanoestruturas de GeSi crescidas epitaxialmente sobre Si(001). Os processos de formação destas ligas foram avaliados experimentalmente. Finalmente, pôde-se investigar em detalhes a termodinâmica de sistemas nanométricosAbstract: The structural and electronic properties of nanoscale materials strongly depend on the chemical composition, as well as their size and shape. A big variety of morphologies can be achieved by controlling the experimental conditions during the epitaxial growth of Ge on a Si(001) substrate. In particular, three-dimensional islands with well defined size and shape are formed in order to minimize the system's total energy. The work presented in this thesis consist in the study of the alloying in GeSi:Si(001) crystalline islands obtained by epitaxial growth methods in the kinetically-limited and the quasi-equilibrium regimes, beyond the chemical composition and strain ¯elds determination of these nanostructures. In the kinetically-limited regime the Quantum Dot Molecules (QDMs) were investigated. These nanostructures are composed by a central f 105 g faceted pit and four elongated islands, also 105 faceted, at the pit surrounding, and formed by a cooperative nucleation process. The QDMs were obtained by molecular beam epitaxy for speci¯c growth conditions: Si0:7Ge0:3, substrate temperature of 550 C and deposition rate of 1.0 º A/s. The narrow size distribution of the ensemble of islands allowed the chemical composition and strain fields maps by Grazing Incidence Anomalous X-Ray Diffraction (GIXRD), besides the complex symmetry involved. The Ge concentration was found to vary significantly from the nominal composition, it is almost 100 % at the islands top, indicating a strong atomic redistribution during the film growth, associated to surface diffusion processes. Compressed and tensile regions were found to co-exist inside the QDMs and the Si substrate, in agreement with finite element calculations performed for the same morphologies for the lattice relaxation. The alloying issue in GeSi islands and the mechanisms influence were investigated for different morphologies corresponding to the quasi-equilibrium regime. The driving forces for alloying - stress and the chemical potential gradient - and the thermodynamical potentials - enthalpy, mixing entropy and the Gibbs free energy - were quantitatively evaluated for an ensemble of samples of dome shaped islands obtained by chemical vapor deposition. Pos-growth annealing in H2 and PH3 environments were used in analogy with an open and closed systems from the thermodynamical point of view, respectively. The mixing entropy was found to have a strong contribution to the total energy, prevailing from the enthalpy, associated with the strain. The are essentially three different mechanisms involved in the alloying of epitaxial nanocrystals: intermixing between Si/Ge atoms during growth, surface diffusion, and intraisland diffusion. The relative importance of each mechanism was evaluated in determining a particular composition profile for dome-shaped Ge:Si (001) islands using a selective chemical etching and GIXRD measurements. For samples grown at a faster rate, intermixing during growth was reduced. Si surface diffusion dominates during H2 annealing (opened system), whereas Ge surface diffusion and intraisland diffusion prevail during annealing in a PH3 environment (closed system concerning Si). Also in the quasi-equilibrium regime, the superdomes (SDs) formation were studies. These islands, with well defined facets, are formed trough the dome-shaped ones and present dislocation which relieves the strain. These nanostructures are formed due to Ostwald ripening process, where the larger islands growth by consuming the smaller ones. Summarizing, the chemical composition were investigated in SiGe:Si(001) epitaxial nanostructures with different morphologies. The alloying processes were experimentally evaluated. Finally, the thermodynamical potentials were investigated in detail for nanoscale systemsDoutoradoFísica da Matéria CondensadaDoutor em Ciência