Etude de la reconstruction de la couche de mouillage Ge/Si(001) par diffraction du

rayonnement synchrotron X en incidence rasante

Tao ZHOU

Projet supervisé par

Gilles Renaud, Christine Revenant, Tobias Schülli

et Karim Inal

Plan

• Introduction• Problèmatique• Objectifs• Outils• Démarche• Résultats• Conclusion

Introduction

• Ge/Si– Microélectronique– Optoélectronique

• Structure de type diamant– aGe = 1.04 aSi

• Mode de croissance Stranski Krastanow: (couche de mouillage + îlots)

• Ge/Si(001)– Modèle fondamental de la croissance hétéroépitaxiale (l’atome déposé est différent

que celui dans le substrat)

2~3 MC GeSi pur0,9+ MC Ge

Vue suivant [1 -1 0]Vue suivant [1 1 0]

Vue suivant [0 0 1]Vue suivant ZZ

<0,9 MC Ge1~2 MC Ge

Problématique

•Diamant

•Surface non-reconstruite

•Liaisons pendantes

•Reconstruction (2x1)

•Reconstruction (2xN)

Vue suivant YY Vue suivant XX

• Beaucoup étudié dans les 30 ans passés• Surface mieux organisée

• Qu’une étude théorique et aucune expérimentale• Désordre de surface, etc.

La surface tronquée

• Le but– Déplacements

• X,Z• Plan de symétrie

– Concentration• Interdiffusion• Site favorable

100% Concentration de Ge

Objectifs

0%

MC

Plan de symétrie A

Plan de symétrie BPlan de symétrie BPlan de symétrie B

Plan de symétrie A

Position initiale de la reconstruction (2x1)

Résultat de notre analyse qualitative préliminaire

Résultat de la simulation Monte Carlo par Nurminen et al.

animation seulement

• Espace réciproque

Outils

Espace Réciproque

Espace Réel

Facteur de diffraction atomique

Synchrotro

n:

ESRF

Programme

d’analyse: ROD

réel réciproque

• Modèle– Reconstruction (2xN)

– Comparaison

• Problème complexe– Problématique

– Solution

• Désordre de la surface– Problématique

– Idée: Cor=S2/S1

– Importance

Démarche

La fente

Q

QRec(2x1) :

Rec(2x9) :

intense fin

faible gros

Position initiale

T2 > T3 > 10T1

Polynôme de degré 3 Décroissance exponentielle

= 18

T1:Taille du pic de Si(001) pur (Rec 2x1) = 0.00165 Å-1

T2:Taille du pic de notre problème (Rec 2x9) = 0.023 Å-1

T3:Taille de la fente = 0.0186 Å-1

la taille de la fente

perpendiculaire à la direction de scan

Radial ScanRocking Scan

nombre de atome / MC

déplacement X,Z + concentration

nombre de MC

Nombre de variable =

2 x 9

x 8

x (2+1)

= 432

Résultats

• Comparaison– Dans le plan (X, Y)

– Hors du plan (Z)

• Déplacements– X

– Z

• Concentration– Variation

Maille élémentaire

Site favorable pour Si

Facteur théorique Facteur expérimental

Accord: χ2 = 2,351,37

1ère MC2ème MC3ème MC5ème MC

Position finale

ConclusionL ’expérience à ID03

Reconstruction (2x9)Interdiffusion jusqu’à 6ème MC

Problème complexeApproximation polynomiale

Désordre de surfaceCorrection d’acceptation

2 MC de Ge sur Si (001) à T=670°C

Déplacement suivant X,ZMoyenne et Variation de la concentration

semi-quantitatif

Elargissement du pic

Trop de variable

Conclusion• 1ère détermination expérimentale de la structure atomique de la reconstruction 2MC Ge:Si(001)-(2xN).• 1ère preuve expérimentale de l’existence des sites favorables pour Si au-dessous des DVLs.• Le motif pour l’apparition de site favorable est la force de contrainte liée à la différence de taille entre les atomes de Ge et de Si.• aider comprendre l’effet d’interdiffusion dans les structures 3D (fonctionnement de futurs nanosystèmes)

Image de STM par B. Voigtländer, Surface Science Reports 43 (2001)

Merci pour votre attention!

Croissance in situ de Ge sur Si(001) ,image de STML’évolution de surface (2×1)→(2×N)→(M×N)

• Reconstruction (MxN)• Structure 3D

– Intérêt de Ge/Si (Self assembled Ge quantum dots on Si and their application, K. L. Wang et al., Journal of Crystal Growth, 2002)

• Optoélectronique– détecteur de photon (Infrarouge moyen)

• Refroidissement thermoélectrique– Module Peltier

• microélectronique– Diode à effet tunnel

• Information quantique– Calculateur quantique

– Fonctionnement de nanosystème• Fonctionnement théorique: pas d’interdiffusion

• Fonctionnement réel: interdiffusion

Intérêt

HREM image

Problème complexe

• Désordre de surface– Variation de N (6~7 dans ce cas)– APB (Barrière d’anti-phase)– Non-mouillage (Terrasse)– Différent Inclinaison– Interdiffusion

• Solution?– Recuire à 1400K– Refroidir à 1K

Désordre de surface

Cause essentielle22**

hklhklhkl FAI

1

0

1

0

1

0332211

02

2**

1

1

2

2

3

3

))(exp()(1 N

n

N

n

N

ni anananqiqF

Rmc

eAA

o

1

0 )exp(1

)exp(1)exp()(

N

nN iqa

iqaNixqaxS

)2/(sin

)2/(sin)( 2

22

qa

nqaxSN

])222(exp[.)(1

Nc

jjjjjhkl lzkyhxifFqF

Outil

• Diffraction du rayonnement synchrotron X en incidence rasante

• Diffractomètre

Incidence normaleIncidence rasante

Haute brillance, plus focalisé, etc.

surface

Plus sensible à la surface,

plus de signal diffracté, etc.

ESRF

Détecteur

X

Z

Y

Echantillon

Berceaux

Rayon Incident

• Facteur de correction• Déplacement (X)• Concentration (Moyenne)

Facteur de correction d’acceptation pour les deux types de scan

Facteur de structure après la correction d’acceptation pour les deux types de scan

Vérification

Diagramme circulaire pour les variations des données

Notre résultat: 2MC de Ge, Surface reconstruite (2x9), T=943KSimulation Monte Carlo (Nurminen et al.): 2MC de Ge, Surface reconstruite (2x10), T=11K

Total de dépôt = 2MCTotal de notre résultat = 1,7 MCTotal de simulation 1 = 1,75 MCTotal de simulation 2 = 0,92 MC

Certitude/incertitude de résultat

Influence sur l’accord χ2

Déplacement X Déplacement Y Déplacement Z

Concentration Moyenne (1ère MC) Concentration Moyenne (2ème – 5ème MC)

Variation de concentration

Certitude / précision de résultatPlus efficace

Moins efficace

Qualitative & Quantitative

Que qualitative

Déplacement Y

Effet d’interdiffusion

Relaxation de contrainte = Création de DVLsN=8

Calcul Monte Carlopar Numinen et al.2MC de Ge sur Si (001)

Sans interdiffusionAvec interdiffusionInterdiffusion

N=12+

Détermination de N22**

hklhklhkl FAI

1

0

1

0

1

0332211

02

2**

1

1

2

2

3

3

))(exp()(1 N

n

N

n

N

ni anananqiqF

Rmc

eAA

o

])222(exp[.)(1

Nc

jjjjjhkl lzkyhxifFqF

3322112 bababa

)(2;

)(2;

)(2

213

213

132

132

321

321 aaa

aab

aaa

aab

aaa

aab

Rec (2×N)

×N

×N /N

Exemple:Réflexion admises initiales: cos(2πh)=1, h=0,1,2…

a1 devient N fois plus grand

Exemple:Réflexion admises initiales: cos(2Nπh)=1, h=0,1/N,2/N…

Niveau d’interdiffusion

10 MC du substrat affectées

6 MC du substrat affectées

(113)(111)

Approximation Polynômiale

• Modification de ROD– Déplacement– Occupation

• Modèle– X– Z– Interdiffusion

)*(333

222110

44*)***( VCstartfinal eVCVCVCVPP

2211 ** VCVCPP startfinal

Zaexxaxxadx 4))()(( 321

ia dzexxaadz 4))(( 2

20

)*(333

222110

44*)***( VCeVCVCVCVOcc

0VOcc

%1001*)*(1*)*( )*(2220

)*(2220

4444 SiGeVC

SiVC

Ge OOeVCVOeVCVO