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http://cicese.repositorioinstitucional.mx/jspui/handle/1007/2125| Estudio teórico de la adsorción de metales de los grupos IV y V sobre superficies semiconductoras y su efecto en el crecimiento epitaxial de Si sobre Ge (001). TI-IEORETICAL STUDY OF THE ADSORPTION OF GROUP IV AND GROUP V METALS ON SEMICONDUCTOR SURFACES AND ITS EFFECT IN THE EPITAXIAL GROWTH OF Si ON Ge(O01) | |
| María Elena González Méndez | |
| NOBORU TAKEUCHI TAN | |
| Acceso Abierto | |
| Atribución | |
| Funcionales de densidad,Semiconductores,Superficies,Agentes superficiales activos | |
| Se realizan cálculos de energía total de primeros principios para investigar la adsorción de metales de los grupos IV y V depositados sobre superficies semiconductoras, y su efecto en el crecimiento epitaxial de Si sobre Ge (001). la motivación de este trabajo es tanto por razones teóricas como prácticas. Desde un punto de vista fundamental, el estudio de la adsorción de metales sobre superficies semiconductoras nos permite entender procesos físicos que ocurren en interfaces metal-semiconductor y en superficies limpias. Además, nos permite estudiar otros fenómenos, como el de comportamiento surfactante, sistemas bidimensionales y formación de líneas metálicas atómicas sobre superficies semiconductoras. El interés práctico se debe a sus aplicaciones potenciales en la industria electrónica y optoelectrónica, como por ejemplo en la fabricación de contactos metálicos para semiconductores y de dispositivos más complejos basados en hetero capas semiconductoras. En particular, se usan metales como surfactantes en el crecimiento epitaxial de heteroestructuras semiconductoras. En todos los estudios que se presentan aquí se utiliza el formalismo del funcional de densidad local (LDF, del inglés local density functional), el cual ha sido usado ampliamente en la física de la materia condensada y actualmente es uno de los métodos más precisos para describir las propiedades del estado base de un sistema de estado sólido. Este método se basa en el cálculo de la energía del sistema como un funcional único de la densidad electrónica. Los cálculos se desarrollan dentro del esquema de Car-Parrinello, el cual usa las fuerzas interatómicas derivadas de las funciones electrónicas instantáneas del estado base. Se usa el método de descenso más rápido (steepest-descent) para las relajaciones iónicas y electrónicas en la optimización de estructuras. Se utilizan pseudopotenciales que conservan la norma y se hace una expansión de las eigenfunciones en ondas planas. En este trabajo se estudia la adsorción de Pb, Sb y As sobre Si(001). En el caso de Pb sobre Si(001),se investigan las etapas iniciales del crecimiento. Se determina la estructura atómica d las líneas que forma el Ob sobre Si(001) cuando el recubrimiento es menor a media monocapa. Estas líneas consisten de dímeros asimétricos de Pb que crecen paralelos a los dímeros subyacentes de Si. Al aumentar el recubrimiento hasta media monocapa de Pb, se forma una estructura (2x2), que consiste de dímeros asimétricos de Pb. Los parámetros estructurales de los dímeros de Pb cambian muy poco al incrementarse el recubrimiento. En el caso de Sb y As sobre Si(001), se estudia la estructura atómica y electrónica con una cobertura de una monocapa. Cuando se depositan sobre Si(001), ambos elementos muestran estructuras (2x1) similares formadas por dímeros simétricos. Sin embargo, imágenes de STM muestran que en la superficie Si(001)(2x1)-Sb existe un rompimiento de las filas de dímeros, denominado defecto de fronteras de dominio de antifase, mientras que en la superficie Si(001) (2x1)-As no aparece este tipo de defectos. Se estudia esta diferencia analizando las propiedades atómicas y electrónicas de las estructuras Si(001)(2x1)-Sb y Si(001) (2x1)-As cuando tienen un defecto formado por un dímero desplazado hacia la trinchera entre dos filas. Se encuentra que los factores energéticos son cruciales para la formación y estabilidad de los defectos. En el caso de Sb, la energía total es ~0.01 eV/dímero más alta que la estructura ideal (2x1). Para As, este valor es 0.30 eV/dímero. La razón de esta diferencia se encuentra en la estructura atómica: el enlace del dímero As-As se debilita por el desorden, mientras que el enlace Sb-Sb casi no se afecta. Se calculan las barreras de energía entre las fases ordenada y desordenada. La barrera de energía para As es más alta que par Sb. Sin embargo, en el caso de Sb esta barrera es lo suficientemente alta como hacer que los defectos resulten estables. Después de caracterizar la superficie de Si(001) con un recubrimiento de una monocapa de elementos del grupo V, se estudia el efecto de uno de ellos (As) cuando se usa como surfactante en el crecimiento de Si sobre Ge(001). El Ge tiene una energía libre superficial menor que la del Si y, por lo tanto, el modo de crecimiento preferente de Si sobre una superficie de Ge es formando islas. Sin embargo, se ha probado experimentalmente que el depósito de una capa de As depositada sobre la superficie de Ge(001) puede ayudar en la fabricación de películas epitaxiales de Si/Ge gruesas y con pocos defectos. Primero se estudia el crecimiento de Si sobre Ge(001) cuando se deposita directamente, con un recubrimiento de una monocapa. Se encuentra que es más favorable el crecimiento tridimensional que bidimensional. Además, el Ge tiende a segregarse a la superficie. Luego se estudia la superficie de Ge(001) cuando se le depositan hasta tres capas de Si y con un recubrimiento de una monocapa de As. En este trabajo se muestra que realmente la presencia de una capa de terminación de As modifica el modo de crecimiento, promoviendo el crecimiento epitaxial de Si sobre Ge(001). Adicionalmente, se encuentra que otra ventaja de la capa terminal de As es reducir mucho la posibilidad del intermezclado entre Si y Ge. The adsorption of group IV and group V metals deposited on semiconductor surfaces and its effect in the epitaxial growth of Si on Ge(001) are investigated using first principles total energy calculations. The motivation of this work is due to both theoretical and practical reasons. From a fundamental point of view, the study of metals adsorbed on semiconductor surfaces allow us to understand physical processes that happen on metalsemiconductor interphases and clean surfaces. Also, it allow us to study other phenomena, such as surfactant behaviour, 2-dimentional systems and formation of atomic metallic lines on semiconductor surfaces. The practical interest comes from their potential applications in the electronic and optoelectronic industry. For example, in the fabrication of metal semiconductor contacts and more complex devices based on semiconductor heterolayers. In particular, metals are used as surfactants in the epitaxial growth of semiconductor heterostructures. In all the studies that are presented here, we have used the local density functional (LDF) formalism, which has been widely used in condensed matter physics and today is one of the most precise methods to describe the ground state properties of a solid state system. This method is based on the calculation of the energy of a system as a unique functional of the electronic density. Calculations are performed within the Car-Parrinello scheme, which use interatomic forces derived from the instantaneous ground-state electronic wavefunctions. A combined electronic and ionic steepest-descent algorithm is used to determine optimal structures. Norm-conserving pseudopotentials are used and eigenfunctions are expanded in a plane-wave basis set.In this work the adsorption of PI), Sb and As on Si(001) is studied. In the case of Pb on Si(001), the initial growth stages are investigated. When the coverage is a small fraction of a monolayer, PI) forms straight lines on Si(001). Its atomic structure is determined by the calculations. These lines consist of asymmetric Pb dimers that grow parallel to the underlying Si dimers. A (2 x 2) structure is formed when the Pb coverage is increased up to half a monolayer. This structure also consists of asymmetric Pb dimers and their structural parameters change little with the increase of the coverage. We have also studied the adsorption of one monolayer of Sb or As on Si(001). We have determined their atomic and electronic structures, Sb and As show similar (2 x 1) reconstructions formed by symmetric dimers when adsorbed on Si(001). However, STM images show that in the Si(001) (2 x 1)Sb surface the long-range order is broken up by a high density of antiphase domain boundaries. Similar defects are rarely observed in Si(001) (2 x 1)-As. This difference is studied by analyzing the atomic and electronic properties of the Si(001) (2 x l)-Sb and Si(001) (2 x 1)-As surfaces with a defect: one dimer is shifted to the trench between two rows.We have found that energetics determines crucially the formation and stability of the defects, In the case of Sb, the total energy is ~0.01 eV/dimer higher than the ideal (2xl) structure. For As, this value is 0.30 eV/dimer. This difference can be traced down to the atomic structure: the As-As dimer bond is weakened by the disorder, while the Sb-Sb bond is almost unaffected. Also the energy barriers between the ordered and disordered phases are calculated. The energy ban-ier for As is higher than for Sb. However, in the case of Sb this barrier is high enough to stabilize the defects. After characterizing the Si(001) surface covered with a monolayer of group V elements, the effect of one of them (As) used as a surfactant in the epitaxial growth of Si on Ge(001) is studied. Ge has a lower surface free energy than Si and therefore the preferred growth mode of Si on a Ge surface is forming islands. However, it has been shown experimentally that the deposit of one layer of As on the Ge(001) surface can help in the fabrication of thick, low defect films of Si. We have first studied the growth of one monolayer of Si on Ge(001) when deposited directly. It is found that a 3-dimensional growth is more favorable than 2-dimensional. Moreover, Ge tends to segregate to the surface. Next, the growth of up to three layers of Si with a terminating As layer on Ge(001) is studied. In this work it is shown that indeed the presence of a terminating As layer modifies the growth mode, promoting epitaxial growth of Si on Ge(001). Additionally, it is found that another advantage of the capping As layer is to reduce greatly the possibility of Si and Ge intermixing. | |
| CICESE | |
| 2000 | |
| Tesis de doctorado | |
| Español | |
| González Méndez, M. E.2000.Estudio teórico de la adsorción de metales de los grupos IV y V sobre superficies semiconductoras y su efecto en el crecimiento epitaxial de Si sobre Ge (001).Tesis de Doctorado en Ciencias. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California.100p. | |
| OTRAS ESPECIALIDADES FÍSICAS | |
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