Selbstorganisierte Oberflächenmuster auf Germanium durch schwere Clusterionen

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Ionenstrahlinduzierte Oberflächenstrukturen von bisher nicht erreichter Qualität wurden Ende 2009 am FZD bei der Untersuchung der Oberflächenerosion von Ge mit schweren Bi2+ und Bi3++ Ionen-Clustern gefunden. Die neue Qualität betrifft die sehr gute Nahordnung und die große Amplitude der „Dot“-Muster, die für elementare Halbleiter deutlich über dem bisher Erreichten liegt. Das implantierte Bi ist in den Dots angereichert. Auch ein qualitativer Sprung wird bei der Cluster-Ionenerosion beobachtet: Während bei senkrechter Fokussed-Ion- Beam-Bestrahlung mit Bi+-Ionen die Ge-Oberflächenschicht die bekannte amorphe Schwammstruktur erhält, finden wir mit Bi3++-Clustern bei gleicher Energie pro Bi-Atom (> 10 keV) selbstorganisierte, kristalline „Dots“, deren Abstand untereinander weniger als 50 nm beträgt und die 30-40 nm hoch sind. Diese Art der Selbststrukturierung wird also durch einen Bi-Clustereffekt dominiert, nicht durch Einzelatom-Ioneneinschläge. Im Gegensatz zur regulären Selbststrukturierung von Ge mit 3-4 nm flachen Löchern durch Beschuss mit 5 keV Ga-Einzelionen sind Modellvorstellungen, die zur Bradley-Harper- bzw. zur Kuramoto-Sivashinsky-Gleichung führen, im vorliegenden Fall nicht unmittelbar anwendbar.Erste theoretische Analysen zeigen, dass die durch die Stoßkaskade deponierte Energiedichte einen Schwellwert überschreiten muss, um den neuartigen Selbststrukturierungsprozess auszulösen. Der Schwellwert koinzidiert mit der benötigten Energie zum Schmelzen des Ge, d. h. jeder Bi-Clustereinschlag erzeugt einen „Ge- Schmelzpool“ von einigen 100 nm3. Unsere erste Modellvorstellung erklärt die Bi- Konzentrierung in „Punkte“ durch eine Bi-Ge-Entmischung der Oberflächenschicht mittels wiederholter Bi-Segregation in den erstarrenden Schmelzpools. Die topografische Aufwölbung in den „Punkten“ wird durch die ca. 5%-ige Ge-Volumenänderung beim Schmelzen bewirkt. Die stark Bi-konzentrationsabhängigen Schmelztemperatur des Ge führt zu einem asymmetrischen Erstarren der Schmelzpools und wegen der Volumenänderung zu einem Ge-Massentransport in Richtung hoher Bi-Konzentration. Die Bi-Clusterinduzierte extrem schnelle Schmelz-Erstarrungskinetik kleinster Volumina ist auch ein einzigartiges Modellsystem für GeTe-basierte Phase-Change-Memories.