Rtg difrakce na polovodičových kvantových tečkách

Bc. et Bc. Tomáš Čechal

Master's thesis

X-ray diffraction from semiconductor quantum dots

Abstract:

Tato diplomová práce se zabývá studiem struktury uspořádaných SiGe kvantových teček uložených v Si matrici. Užitím molekulární svazkové epitaxe (MBE) bylo vytvořeno celkem 11 vrstev kvantových teček, přičemž první z těchto vrstev byla vytvořena na Si(001) substrátu s pravoúhlou mřížkou tvořenou prohlubněmi připravenými kombinací litografie s užitím elektronového svazku a reaktivního iontového odprašování (RIE). Kvantové tečky deponované na takto upraveném substrátu vytvářejí pravidelnou mřížku s periodicitou původní sítě prohlubní. Vhodnou volbou vertikální vzdálenosti mezi jednotlivými vrstvami teček bylo docíleno i vertikálního uspořádání zprostředkovaného elastickými deformačními poli vznikajícími kolem teček v předcházejících vrstvách. Byla provedena měření difrakce rentgenového záření v koplanární geometrii a v rámci těchto měření byly pořízeny třírozměrné mapy reciprokého prostoru v okolí substrátových difrakcí (004) a (224). Na základě vhodného modelu struktury vzorku byla v rámci kinematické aproximace difraktovaná intenzita rovněž vypočtena a výsledky tohoto výpočtu byly srovnány s experimentem. Z tohoto srovnání byly stanoveny strukturní vlastnosti kvantových teček (tvar, velikost a chemické složení). Získané výsledky se zdají být v protikladu s informacemi, které máme o struktuře vzorku z růstového procesu, a to i přes to, že chyba stanovení strukturních parametrů je díky nízké intenzitě difraktovaného svazku poměrně velká.

Abstract:

This thesis deals with a study of structural properties of a three-dimensional ordered array of SiGe quantum dots embedded in a Si matrix. Molecular beam epitaxy (MBE) was used to grow a total of 11 layers of quantum dots on Si(001) substrate previously pre-patterned by a combination of electron beam lithography and reactive ion etching (RIE). Quantum dots grown on a pre-patterned substrate form a laterally periodic array with period approximately 70 x 70 nm2; vertical alignment between the subsequent dot layers is also present since the strain fields from the buried dots create preferential nucleation sites right atop the dots of the previous layer. X-Ray diffraction measurements in traditional coplanar geometry were performed in the vicinity of the (004) and (224) substrate reflections and three-dimensional reciprocal-space maps were recorded using a two-dimensional CCD detector. Using a suitable structural model of the quantum dot crystal, the distribution of scattered intensity in the reciprocal space was calculated in the framework of the kinematical theory of x-ray scattering and compared with the measured data. From this comparison, the structural properties of the dots (shape and chemical composition) were obtained. However, the results seem to contradict the information about the structure known from the sample growth process. There is, nevertheless, a large uncertainty in the results stemming from the fact that relatively little data could be extracted from the measurement due to low intensity of the scattered beam.

Keywords

difrakce rentgenového záření, synchrotronové záření, křemík, germanium, kvantové tečky, x-ray diffraction, synchrotron radiation, silicon, quantum dots

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 11. 6. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. Václav Holý, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Physics / Condensed Matter Physics