Abstract
The evolution dynamics of nanoscale Ge islands on both Si (001) and (113) surfaces is explored using ultraviolet photoelectron emission microscopy (UV-PEEM). Real-time monitoring of the in-situ growth of the Ge island structures can allow us to study the variation of the size, the shape and the density of the nanostructures. For Ge depositions greater than ${\sim}4$ monolayer (ML) with a growth rate of ${\sim}0.4\;ML/min$ at temperatures of $450-550^{\circ}C$, we observed island nucleation on both surfaces indicating the transition from strained layer to island structure. During continuous deposition the circular islands grew larger via ripening processes. AFM measurements showed that the islands grown on Si (001) were dome-shaped while the islands on Si (113) were multiple-side faceted with flat tops of (113)-orientation. In contrast, for Ge deposition with a lower growth rate of ${\sim}0.15\;ML/min$ on Si(113), we observed the shape transition from circular into elongated island structures. The elongated islands grew longer along the [$33\bar{2}$] during continuous Ge deposition. The shape evolution of the islands is discussed in terms of strain relaxation and kinetic effects.
자외선 광여기 전자현미경 (Ultraviolet - Photoelectron Emission Microscopy: UV-PEEM)을 이용하여 Si (001)과 (113) 표면에 Ge을 증착하면서 실시간으로 나노구조의 형성과 크기 및 형태 변화과정을 조사하였다. Ge은 PBEM에 부착된 e-beam 증착기를 이용하여 $450-550^{\circ}C$ 온도에서 in situ로 증착하면서 표면의 변화를 PEEM으로 관찰하였다. Ge을 ${\sim}0.4\;ML/min$의 증착율로 ${\sim}4\;ML$ 이상 두께로 증착했을 때, 두 Si 표면에서 Ge의 균일한 변형층(strained layer) 위에 island 구조가 형성되었다. 초기에 형성된 원형 모양의 island는 연속적인 Ge 증착에 따라, ripening 과정에 의해 크기가 점차 성장되었고 밀도는 감소하였으나, 형태는 원형 모양을 유지하였다. 시료 성장 후 공기 중 AFM 측정 결과, Si(001) 표면에는 dome 형태의 Ge island가 Si(113) 표면에는 윗면이 평판하고 다면의 옆면을 지닌 island 구조가 형성됨이 확인되었다. 반면에 ${\sim}0.15\;ML/min$의 낮은 증착율로 Ge을 증착했을 때, Si(113) 표면에서 원형의 Ge island가 길죽한(elongated) 형태의 나노선 구조로 변형됨이 관찰되었다. 또한, 계속적인 Ge 증착 두께를 증가시킴에 따라 표면에는 새로운 island가 형성되지 않고, 기존의 island들이 점차 길이 방향으로 크기가 증가하면서 [$33\bar{2}$] 방향으로 배열하였다. 이와 같은 Ge 나노구조의 형성과 형태 변화는 나노구조 형성과정에서 변형이완(strain relaxation)과 가원자(adatom)의 표면 동역학적 효과와 깊은 관련이 있는 것으로 분석된다.
