Ge에 의해 유도되는 Si(5 5 12)표면의 재구조 변화 = Ge-induced Reconstruction Variation of Si(5 5 12)

국문 초록 (Abstract)

실리콘보다 격자상수가 4% 큰 게르마늄은 Si(001)이나 Si(111) 기판 위에서 처음에는 층층이 성장하다가 나중에는 3차원으로 성장한다고 알려져 있다. 그렇다면 게르마늄을 Si(111)과 Si(001) 사이에 존재하고, 평평하게 재구조되며 1차원 나노구조의 형판으로 응용가능성이 높은 고밀러지수의 Si(5 5 12)-2×1 기판 위에 증착하면 과연 그 성장이 달라질 수 있을까라고 의문이 자연스럽게 발생한다. 이와 같은 동기로 본 연구에서는 Ge을 재구조된 Si(5 5 12)-2×1 위에 증착하여, 그 초기 성장과정을 주사터미널현미경을 통하여 연구하였다. 먼저 게르마늄은 500℃로 고정된 Si(5 5 12)-2×1에 증착하면 dimer-adatom(D/A) 자리 위에 2× 주기를 가진 dimer로 Ge이 흡착하여 채우다가 D/A 자리가 포화상태에 이르면, 2× 주기의 dimer가 1× 주기의 밝은 선으로 구조변형을 일으킨다. 이러한 변화가 주위에 원래 있던 1× 주기의 밝은 선을 2× 주기의 tetramer선으로 변화시킨다. 나아가 2× 주기인 tetramer도 D/A의 구조로 변형된다. 이러한 현상은 Si(5 5 12)에 대한 호모에피택시의 초기 성장모드와 매우 유사하게 (5 5 12) 한 주기 [D(337), (225), T(337)]가 [(225), T(337), D(337)]로 바뀐다. 이런 형태변화로 결국 두 개의 (225)가 연결되어, 이것이 바로 (113)와 (112) 등의 facet들이 성장하는 원천을 제공한다. 게르마늄의 양이 증가함에 따라 facet이 성장하게 되며, 10-20 nm의 주기를 가지는 톱날 모양의 (113)과 (112)로 이루어진 facet이 되고, 또한 facet 사이의 골짜기를 채우기도 한다. Facet의 성장과 골짜기 채우기가 경쟁을 하면서 차츰 facet의 일차원 대칭성이 깨어지어 표면은 3차원 오두막(hut)모양의 게르마늄 구조로 덮이게 된다. 본 연구를 통하여 고밀러지수 Si(5 5 12)-2×1 표면에서의 게르마늄의 성장은 (337)구조를 선호한다는 것을 확인하였으며, 이와 같이 (5 5 12)에 비해 에너지 상으로 보다 안정된 (337)구조로의 성장이 초기에 에피성장을 방해하고, 궁극적으로는 (001)과 (111) 사이의 고밀러지수 표면의 1차원 대칭성마저 무너뜨리는 효과가 있다는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It has been known that Ge with 4% lattice-mismatch grows on Si(001) as well as Si(111) epitaxially only at the initial stage, so called with the so-called Stranski-Krastanov growth mode. Naturally, the question, "Can the same S-K growth be applied the high-index Si surface between Si(001) and Si(111), such as Si(5 5 12) located at 30.5 degree from Si(001)?", has been arisen, since Si(5 5 12)-2×1 has been known to have a relatively flat and reconstructed surface, and has a potential application on nano-structure fabrication. Hereby, initial growth-stages of Ge on Si(5 5 12)-2×1 have been studied by Scanning Tunneling Microscopy. Initially deposited Ge caused the dimers of 2× periodicity to be aligned along [11￣0] on the dimer/adatom(D/A) sites of Si(5 5 12)-2×1 held at 500℃. Upon saturating D/A sites, the aligned dimers on D/A sites in the (225) unit firstly transform to a 1× chain, and another 1× chain between (225) and D(337) units transforms to a tetramer row as in the Si-homoepitaxy case. The stress induced by these transformations caused T(337) to be D(337), which results in transformation of one (5 5 12) periodicity from [D(337), (225), T(337)] to [(225), T(337), D(337)]. When two (225) units are adjoining, they become faceted to (113) and (112) through the same transformations. With additional Ge, the surface becomes covered with sawtooth-like facets composed of (113)-3×2 and (112)-5×2 with the 10-20 nm periodicity along [665￣]. With increased Ge, two mechanisms of valley-filling and faceting compete with each other. Finally the surface becomes rugged, and three dimensional huts appear through breaking 1-D symmetry along [11￣0]. Such growth mode implies that the most stable structure of Ge/Si(5 5 12) is (337), and the Stranski-Krastanov growth mode is not applied to (5 5 12) case, that is, Ge favors a different structure, (337), even on (5 5 12).

목차 (Table of Contents)

• Figures = ⅱ
• Tables = ⅶ
• Acronyms = ⅶ
• 초록 = ⅷ
• Abstract = ⅹ
• 1.서론 = 1
• 1.1.SiGe 시스템의 연구의 중요성 = 1
• 1.2.SiGe 시스템에 대한 기존의 연구: Low index Si 표면에서 Ge의 성장 = 5
• 1.3.Si(5 5 12)위에서 Ge의 성장에 관한 연구의 필요성 = 8
• 2.STM 실험의 준비와 수행 = 9
• 2.1.STM-AutoProbe VP Park Scientific Instruments = 9
• 2.1.1.초고진공 하에서의 STM = 9
• 2.1.2.데이터 수집 = 16
• 2.2.고효율의 STM 실험 방법 = 19
• 2.2.1.탐침(Tip)의 처리 방법 = 20
• 2.2.2.시료 준비 = 22
• 2.2.3.Ge source 준비 = 24
• 3.STM 실험결과 = 27
• 3.1.Reconstructed Si(5 5 12)-2×1 = 27
• 3.2.Ge dimers adsorbed on (225) and forming 1× chain structure = 34
• 3.3.Competition between faceting and valley-filling = 38
• 3.3.1.Faceting with (113) and (112) = 38
• 3.3.2.Valley-filling with Ge to form (337) and facet forming on (337) substrate = 45
• 3.4.1-D symmetry breaking; Hut-structure formation = 48
• 4.토의 = 52
• 5.결론 = 56
• 참고문헌 = 57