Neuartige SiGe Nanostrukturen auf verkippten und hoch-indizierten Silizium Oberflächen

Epitaktische Halbleiter-Nanostrukturen sind von großem Interesse für die Grundlagenforschung als auch für quantenelektronische Bauelemente. Dies beruht auf der Quantisierung der elektronischen Zustandsdichte, welche durch Form, Größe und Zusammensetzung eingestellt werden kann. In die- sem Forschungsprojekt sollen neuartige Silizium-Germanium Nanostrukturen auf vekippten und hoch-indizierten Siliziumoberflächen hergestellt und untersucht werden. Der zugrunde liegende Wachstumsprozess beruht dabei auf der fundamentalen Instabilität von verspannten epitaktischen Schichten, welche zur spontanen Ausbildung von selbst-organisierten Nanostrukturen führt. Die tat- sächliche Entwicklung der Oberflächenmorphologie wird dabei von einem äußerst komplexen Zu- sammenspiel von Oberflächentopographie, Spannungsverteilung, Grenzflächen-, Oberflächen- und Kantenenergien, sowie von Interdiffusion und Insel-Wechselwirkungen bestimmt. Diese Faktoren hängen wechselseitig voneinander ab und bestimmen nicht nur die Energetik, sondern auch die Kine- tik des Systems. Aus diesem Grund sind selbst für das einfache Silizium-Germanium System viele Wachstumsaspekte und fundamentale Fragen offen. Ziel des Projekts ist es, durch Symmetriebrechung auf verkippten und hoch-indizierten Silizium Ober- flächen neuartige SiGe Nanostrukturen herzustellen und zu untersuchen. Dazu werden in situ und in vivo Methoden wie Rastertunnelmikroskopie, Elektronenbeugung und Synchrotronstrahlung einge- setzt, um die Nukleation und Entwicklung der Oberflächentopographie als Funktion der Bedeckung und Wachstumsparameter mit höchster Auflösung zu bestimmen. Für die theoretische Beschreibung der Wachstumsprozesse werden einschlägige Modelle entwickelt, die bisher vernachlässigte Effekte wie Entropie und negative relative Facettenenergien berücksichtigen werden. Durch Vergleich mit den experimentellen Resultaten sollen die zugrunde liegenden Mechanismen aufgeklärt werden und damit bestimmt werden, wie Form und Eigenschaften von Nanostrukturen durch Änderungen in der Wachstumsrichtung kontrolliert werden kann. Der Schwerpunkt des Projekts wird in der Realisierung von eindimensionalen Nanodrähten und der Herstellung von gekoppelten Quantenpunkt Nano- draht Systemen liegen. Die experimentell und theoretisch bestimmten Phasendiagramme erlauben den Einfluss von Facetten und Kantenenergie sowie von Entropieeffekten aufzuklären. Dies wird zu einem wesentlich verbesserten Verständnis der Wachstumsprozesse führen und die Lücke zwischen rein energetischen Gleichgewichtsbetrachtungen und kinetischen Modellen schließen. Die neuarti- gen Nanostrukturen werden zusätzliche Freiheitsgrade für die Kontrolle von Form und geometrischer Anordnung von komplexeren Nanoarchitekturen eröffenen, was für die praktische Anwendung von großer Bedeutung ist.

Self-assembled silicon/germanium nanostructures are of great interest for fundamental research as well as device applications due to their compatibility with main-stream silicon technology. Their particular feature is the low-dimensional electronic density of states that can be tuned by size, shape and composition. Self-assembled growth is based on the fundamental instability of strained films against morphological perturbations, driven by the additional degrees of freedom opened up by the surfaces thus exposed. In practice, the growth evolution is governed by a highly complex interplay between morphology, strain and composition, strongly influenced by facet and edge energies as well as island-island interactions. In this project, in vivo scanning tunneling microscopy (STM) and x-ray scattering performed at synchrotrons was employed to study nanostructure formation on different substrates in real time under realistic growth and annealing conditions. In this way, new types of nanostructures with tunable sizes and geometries were attained and the corresponding growth phase diagrams and mechanisms clarified. Highly facetted germanium hut nanowires on singular Si (001) substrates were produced by subcritical Ge deposition and subsequent annealing. This results in hundreds of nanometer long nanowires with only 2 nm in height and 20nm in width. Changes in the annealing conditions yields single nanowires or nanowire bundles and by detailed STM analyses, the critical parameters determining the kinetics of the growth processes were derived. For the first time, STM movies of the nanowire evolution during long term annealing were recorded in vivo in real time, evidencing nanowire growth and shrinking and their local interaction with their environment. The results revealed that the nanowire stability increases with increasing nanowire width, contrary to previous assumptions. This was elucidated further by studying asymmetric growth of tapered nanowires formed on miscut Si wafers. The second part of the work focused on the reversible nanostructure formation on high miscut and high-indexed Si surfaces studied in situ by STM as well as electron and small incidence x-ray scattering. It was revealed that well-ordered periodic nanowire arrays can be obtained with a periodicity, sizes and shapes that can be deterministically controlled by the germanium thickness and substrate miscut angle. Two types of nanowire geometries were obtained in dependence of the miscut direction, namely, nanowires with alternating (105) and (001) facets and symmetric nanowires with equal (105) facets on both sides. Most strikingly, their formation is fully reversible upon thermal cycling, meaning that they can be repeatedly erased and reformed. This unprecedented feature is explained by entropy effects arising from the strong step meandering on vicinal surface that alters the total free energetics of the system. The derived model is applicable to many other material systems and thus, opens a new pathway for controlled formation of new kinds of nanostructures.