Growth, optical an structural investigation of sige nanostructures

Abstract

El propósito principal de esta tesis ha sido desarrollar un nuevo proceso con el fin de lograr el control reproducible de las dimensiones y la ubicación espacial de nanoestructuras (islas y nano hilos) de Ge sobre sustratos de Si. En este contexto, nuestro objetivo básico era formar matrices bidimensionales de nanocúmulos de Au utilizando haces de iones focalizados (FIB) de Au2+ con filtro de masas y posteriormente utilizarlos como patrón para la nucleación de nanoestructuras de Ge. El primer capítulo está dedicado a la revisión de: 1) las propiedades fundamentales de Si y Ge, 2) generalidades sobre las capas de aleación de SiGe y 3) el crecimiento de islas y nano hilos de Ge auto-ensamblados. Se han expuesto los detalles sobre el modo de crecimiento de las nanoestructuras. El mecanismo de crecimiento para los nano hilos - vapor líquido sólido (VLS) - se describe junto con el comportamiento del Au como catalizador. El segundo capítulo ofrece una visión general de las tecnologías de grabado (haces de iones focalizados) y crecimiento (epitaxia por haces moleculares). Además, se describen los métodos para la caracterización de las muestras, tanto morfológica como desde un punto de vista óptico. El tercer capítulo está dedicado a investigar la influencia de la formación de nanocúmulos de Ge sobre la determinación de la composición y de la tensión de capas de aleaciones de Si1-xGex/Si. La causa de la gran dispersión de los valores de las frecuencias Raman de fonones medidos en capas de aleación relajadas que se encuentra en los datos de la literatura se reveló que estaba relacionada con la existencia de los nanocúmulos de Ge. Su presencia dentro de las capas de aleación de SiGe es el resultado de haber empleado métodos de crecimiento epitaxial de no equilibrio, tales como la epitaxia por haces moleculares. Las capas de aleación obtenidas en este trabajo que contenían nanocúmulos de Ge se trataron térmicamente y el efecto de dichos recocidos acumulativos para conseguir una disposición aleatoria de los átomos de Ge dentro de la capa de aleación fue demostrado. Adicionalmente, hemos demostrado que la tensión de las capas de SiGe y su composición pueden ser evaluadas y determinadas mediante la realización de una sola medición Raman. Se elaboró también un método gráfico para estimar la composición en Ge y el estado de tensión dentro de las capas de aleación de SiGe independiente de su estado de tensión. El crecimiento de las nanoestructuras de Ge en substratos de Si grabados se ha presentado en el cuarto capítulo. Se ha investigado y desarrollado un proceso en tres pasos basado principalmente en: i) el uso de haces de iones focalizados (FIB) para obtener los patrones, ii) recocido y iii) el crecimiento de nanoestructuras mediante epitaxia por haces moleculares (MBE). Se grabaron sustratos de silicio con distintas orientaciones cristalográficas (Si (001) y Si (111)) usando un equipo de haces de iones de Au2+ focalizados. Se examinó la variación de los patrones en función de los parámetros FIB empleados, y se exploró su evolución al realizar tratamientos térmicos utilizando una amplia gama de temperaturas y tiempos. Durante los recocidos se logró la formación de cúmulos de AuSi dentro de las áreas grabadas con el FIB. Después de la deposición de Ge se formaron islas y/o nano hilos dependiendo de la dosis de iones utilizada para grabar los sustratos. También se investigó el efecto de la cantidad de Au y de las dimensiones de los hoyos sobre el modo de crecimiento y la morfología de las nanoestructuras formadas.

The main purpose of this thesis has been to develop a new process in order to achieve reproducible control of the dimensions and spatial location of Ge nanostructures (islands and nanowires) formed on Si substrates. In this context, our primary objective was to form bi-dimensional arrays of Au nanoclusters using mass-filtered focused ion beam (FIB) with Au2+ ions and to use them as patterns to nucleate the Ge nanostructures. The first chapter is dedicated to a review of: 1) Si and Ge fundamental properties, 2) generalities about the SiGe alloy layers, and 3) growth of the self assembled Ge islands and nanowires. Details about the nanostructure growth mode are exposed. The nanowire growth mechanism – vapor liquid solid (VLS) – is described along with the Au behavior as a catalyst. Chapter 2 gives an overview of the patterning (focused ion beam) and growth (molecular beam epitaxy) techniques. Besides them, methods for sample characterization from a morphological and optical point of view are described. The third chapter is devoted to investigate the influence of Ge nanoclustering on the composition and strain determination of Si1-xGex/Si alloys. The cause of the large scatter of the phonon frequency values measured by Raman for relaxed alloy layers that is found in the literature was revealed as due to Ge nanoclustering effects. This phenomenon occurs in SiGe alloy layers as a result of employing nonequilibrium epitaxial growth methods such as molecular beam epitaxy. The obtained alloy layers presenting Ge nanoclusters were thermally treated and the effect of the cumulative annealings of randomizing the Ge atom distribution within the alloy layer was demonstrated. Additionally, we proved that the strain and composition of the SiGe alloy layers can be evaluated and determined by performing a single Raman measurement. An analytical/graphical method to estimate the Ge composition and strain status within the SiGe alloy layers independent of their strain status was elaborated. The growth of the Ge nanostructures on patterned Si substrates was investigated and is presented in chapter 4. For this purpose a three step process was developed, based mainly on: i) focused ion beam (FIB) patterning, ii) annealing and iii) molecular beam epitaxy growth. Si substrates with different crystallographic orientations [(001) and (111)] were patterned using a FIB equipment with Au2+ ions. Pattern evolution as a consequence of the employed FIB parameters was examined, and their progress with the thermal treatments performed using a large range of temperatures and times was explored. The formation of AuSi clusters inside the FIB patterned areas during the annealings was achieved. Depending on the ion dose used to pattern the substrates, after Ge deposition, both islands and/or nanowires were formed. The effect of the Au amount and hole dimensions on the growth mode, morphology, and two-dimensional ordering of the nanostructures was investigated.