Growth and characterization of Ge and Si nanostructure deposited on an insulating LaA1O3 substrates

Croissance et caractérisation de nanostructures de Ge et Si déposées sur des substrats d'oxyde cristallin à forte permittivité LaA1O3

Hussein Mortada (1)

1 IS2M - Institut de Science des Matériaux de Mulhouse

Non-volatile flash memory used in computers, mobile phones and USB-keys can be made up of nanocrystals (SC) inserted in an insulating matrix. It requires development of "Oxide/SC/oxide/Si (001)" type hetero-structures and the control of each interface. Within this framework, we studied the initial growth mechanisms of Si and Ge (SC) on LaA1O3(001) crystal oxide substrates with high permittivity (high-k). Chemical and structural properties have been studied in-situ by X-Ray photoemission (XPS and XPD) and electron diffraction (RHEED and LEED) technics and ex­ situ by atomic force microscopy (AFM) and high resolution tunneling electron microscopy (HRTEM). Clean LaA1O3(001) substrate contains a c(2x2) surface reconstruction which attributed to gaps of oxygen (O) on the surface. Si and Ge have been deposited by molecular bearn epitaxy (MBE), at room temperature followed by series of annealings at high temperatures. Epitaxy requires temperature more than 550°C for the deposition. Volmer Weber growth mode was characterized by the formation of nanometric densely packed islands. These islands are relaxed and have an abrupt interface with the substrate. Islands of Ge have mostly random orientations with nevertheless epitaxy privileged relationship, same as that of the Si.

Les mémoires flash non volatiles - utilisées dans les ordinateurs, téléphones portables ou clés USB - peuvent être constituées de nanocristaux semiconducteurs (SC) insérées dans une matrice isolante. Elles nécessitent l'élaboration d'hétérostructures de type "oxyde/SC/oxyde/Si(00l)" et la maîtrise de chaque interface. Dans ce cadre, nous avons étudié les mécanismes de croissance initiale du Si et du Ge (SC) sur des substrats d'oxyde cristallins LaA1O3(001) à forte permittivité (high-k). Les propriétés chimiques et structurales ont été déterminées in-situ par photoémission X (XPS et XPD) et par diffraction d'électrons (RHEED et LEED) puis ex-situ par microscopies en champ proche (AFM) et en transmission (HRTEM). Le substrat LaAlO3(001) propre présente une reconstruction de surface c(2x2) attribuée à des lacunes d'O en surface. Les croissances de Si et Ge ont été réalisées par épitaxie par jet moléculaire (MBE), soit à température ambiante suivies de recuits, soit à haute température. L'épitaxie requiert des températures de dépôt supérieures à 550°C. Le mode de croissance est de type Volmer Weber caractérisé par la formation d'îlots cristallins de dimensions nanométriques et de forte densité. Ces îlots sont relaxés et présentent une interface abrupte avec le substrat. Quant aux îlots de Ge, ils ont majoritairement des orientations aléatoires avec néanmoins une relation d'épitaxie privilégiée, la même que celle du Si.

Mots clés: Electron diffraction; High-k

Mots clés: Xps; Diffraction d'électron; Afm; High-k; Mbe; Rheed; Leed

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Hussein Mortada. Croissance et caractérisation de nanostructures de Ge et Si déposées sur des substrats d'oxyde cristallin à forte permittivité LaA1O3. Autre [cond-mat.other]. Université de Haute Alsace - Mulhouse, 2009. Français. ⟨NNT : 2009MULH3180⟩. ⟨tel-00584121⟩