Photoemission Study on Strain-Induced Low-Dimensional Structures of GeSi

Abstract

The main challenge of the semiconductor industry is to fabricate progres-sively-smaller devices. IBM researchers succeeded in miniaturizing semicon-ductors by developing silicon/germanium alloys (Sige) in the mid-1990s. Now-adays, SiGe is a vital material for wireless technology which demands low power and low noise.Reflecting interests in miniaturization, especially in low-dimensional structure of the materials, a number of scientists have studied the electronic properties of such materials. For instance, a 1-dimensional atomic indium chain on Si(111) surface, which can be made by self-assembly, is a well-known low-dimensional material having physically novel properties. In this research, first I confirmed the possibility of using Ge_x Si_(1-x)(111) as a substrate on which to construct low-dimensional structures like Si(111). Then I fabricated stripe-shaped atomic wires on Si(111)4×1-In surfaces and studied their electronic properties. Lastly, I compared the results with those of the Saranin group.

반도체 산업에서 실리콘과 게르마늄은 그 산업을 이끄는 핵심적인 역할 물질로서 존재해왔다. 최근의 전자산업에서의 화두는 이 물질들을 기반으로 하여 어떻게 하면 저전력의 소형 반도체 기기들을 만드느냐에 초점을 맞추어 연구가 진행되어 오고 있다. IBM에서는 이미 1980년대에 이러한 화두에 입각하여 기존의 기술로 소형화를 이루는데 한계가 왔음을 직시하고 다른 물질을 찾거나 합금 기술을 이용하여 이 한계를 벗어나고자 하였다. 당시 IBM의 연구원 이었던 Meyerson은 실리콘과 게르마늄을 합금하여 당면한 문제를 해결하려 노력하였고, 마침내 1990년대 중반에 기존의 실리콘 기반 반도체 부품들보다 월등한 성능으로 획을 그으면서 시장을 장악하였다. 현재는 안정성, 속도, 낮은 가격면에서 유무선 통신 산업에 사용되고 있는데, 특히 작은 사이즈와 저전력을 필요로 하는 WiFi, 휴대폰, GPS 등에 적용되고 있다. 이러한 전자산업의 관심사를 반영하여 물리학계에서도 저차원의 물질들이 갖는 전기적인 특성들을 연구하기 위해서 박차를 가하고 있으며, 실제로 1차원의 원자선들을 만들거나 2차원의 원자막을 형성하여 해당 물질의 물리적인 특성들을 연구해오고 있다. 이 논문에서는 위의 관심사들을 반영하여 Si(111)위에 Ge 원자막을 형성하여 DAS 모델의 구조를 따르는 기판을 형성하고, 해당 기판의 표면에 변형(strain)에 따른 전자구조를 Si(111)과 비교하였다. 또, 순수한 Si(111)에서의 표면 재구성(reconstruction)을 확인하여 Ge_x Si_(1-x)(111) 기판이 기존 실리콘 기판 위에서 만들 수 있던 저차원 구조들을 동일하게 만들 수 있음을 확인하였다. 또한, Si(111)에서와 같이 Saranin 연구단에서 했던 주사터널현미경 실험을 기초로 인듐과 게르마늄 합성의 1차원 원자구조를 형성하여 Si(111)4×1-In 의 실험 재현을 시도하였다. 그러나 결과는 Saranin 의 결과와 다르게 페르미 준위에 걸쳐있는 페르미 끝(edge)은 존재하지 않았다. 위쪽을 향해 있는 Ge_x Si_(1-x)(111)7×3-In 밴드가 표면 밴드인지를 명확하게 하기 위해서는 가속기와 같이 빛의 에너지를 조절할 수 있는 ARPES 실험실에서의 추가적인 실험을 필요로 한다.