Group IV epitaxy for advanced nano- and optoelectronic applications

Wirths, Stephan; Morgenstern, Markus; Mantl, Siegfried

doi:HT018943051

Group IV epitaxy for advanced nano- and optoelectronic applications = Gruppe IV Epitaxie für fortgeschrittene Anwendungen der Nano- und Optoelektronik

Wirths, Stephan

2016

VerantwortlichkeitsangabeStephan Wirths

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2016

Umfang116, XXX Seiten : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-132-3

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Schlüsseltechnologien ; 123

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Druckausgabe: 2016. - Onlineausgabe: 2016. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mantl, Siegfried (Thesis advisor) ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-05-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-027533
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/572470/files/572470.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/572470/files/572470.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; group IV epitaxy (frei) ; GeSn (frei) ; Sn-based alloys (frei) ; group IV laser (frei) ; direct bandgap group IV materials (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Zinn-basierte Legierungen, ausschließlich bestehend aus Elementen der 4. Hauptgruppe des Periodensystems, haben innerhalb der letzten zehn Jahre ein gesteigertes wissenschaftliches Interesse auf sich gezogen. Bereits seit Anfang der 1980er Jahre sind die hochinteressanten elektronischen Eigenschaften, wie etwa eine fundamental direkte Bandlücke oder hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten, dieser Halbleiter bekannt. Allerdings haben die niedrige Löslichkeit des Zinns in Ge oder SiGe und die hohe Gitterfehlanpassung das Wachstum von hochqualitativen GeSn und SiGeSn Schichten auf Si Substraten erheblich eingeschränkt. Somit konnte das enorme Potential dieses Materialsystems in Bezug auf dessen Anwendung in der Nano- und Optoelektronik noch nicht vollständigaus genutzt werden. Ein Tieftemperatur-Prozess für die chemische Gasphasenabscheidungunter reduziertem Druck mit kommerziell erwerblichen Ge- und Sn-Präkursoren wie Ge2H6 und SnCl4 für das epitaktische Wachstum von GeSn und SiGeSn Legierungen direkt auf Si(001) und auf Ge-gepufferten Si(001) Substraten ist in dieser Arbeit entwickelt worden. Die in die Schichten eingebauten Zinn Konzentrationen übersteigen hierbei die im thermischen Gleichgewicht möglichen Werte bei weitem. Hohe Wachstumsraten bei niedrigen Wachstumstemperaturen ermöglichen außergewöhnlich gute Schichtqualitäten, die mittels Transmissionselektronenmikroskopie, Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie, Röntgendiffraktometrie oder Photolumineszenz (PL) nachgewiesen worden sind. Weiterhin wirdgezeigt, dass sich die plastische Relaxation dieser Schichten von der des gut bekanntenSiGe/Si Systems unterscheidet. Nachfolgend, werden ausgewählte Heterostrukturen mittels Admittanz und optischer Charakterisierung untersucht. Hochgradig zugverspannte Ge und GeSn Schichten, die auf teilrelaxierten GeSn Pufferschichten aufgewachsen worden sind, werden für die Herstellung von Metal-Oxid-Halbleiter Kondensatoren verwendet, die wiederum der Charakterisierung der Grenzschichten zwischen den hochverspannten Halbleitern und den eingesetzten Dielektrika mit hohen Dielektrizitätskonstanten dienen. Für die Untersuchung des Metallisierungsprozesses von GeSn und SiGeSn Schichten werden Zinn Konzentrationen von über 10 at.% verwendet. Schließlich wird der Übergangvon einem indirekten zu einem fundamental direkten Gruppe IV Halbleiter präsentiert. Hierfür sind temperaturabhängige PL Messungen an einem prädestinierten Probensatz durchgeführt worden. Teilrelaxierte GeSn Schichten gewachsen auf Si(001) Substraten und mit einer Zinn Konzentration von 12.6 at.% zeigen hohe optische Verstärkung beitiefen Temperaturen. Darüber hinaus wird zum ersten Mal Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung (lasing) in Gruppe IV Halbleitern mit fundamental direkter Bandlücke präsentiert.

Sn-based group IV semiconductors have attracted increasing scientific interest duringthe last decade due to their exciting electronic properties, such as a fundamental direct bandgap or high carrier mobility. Whereas these properties have been predicted already in the early 1980’s, the quality of epitaxially grown GeSn and SiGeSn layers onSi and Ge substrates has been limited owing to the low solid solubility of Sn in (Si)Ge(< 1 at.%) and the large lattice mismatch (> 15 %). Hence, the enormous potential of these material systems regarding their implementation in nano- and optoelectronics has not been exploited to date. A low temperature reduced pressure chemical vapour process using commercially available Ge- and Sn-precursors, namely Ge2H6 and SnCl4, is developed for the growth of GeSn and SiGeSn epilayers directly on Si(001) and on Ge-buffered Si(001). Sn concentrations far beyond the solid solubility of Sn in (Si)Geare achieved. High growth rates at low growth temperatures assure exceptionally highmonocrystalline quality evidenced by exhaustive layer characterization, i.e. transmission electron microscopy, Rutherford backscattering spectrometry, X-ray diffraction or photoluminescence. Moreover, it is shown that the plastic strain relaxation of these (Si)GeSn epilayers on Ge/Si(001) takes place mostly via edge dislocations rather than via treading dislocations as well-known in other group IV systems, i.e. SiGe/Ge. Subsequently, dedicated heterostructures are used for admittance and optical characterization. Highly biaxially tensile strained Ge and GeSn layers grown on GeSn strain relaxed buffer layers are used to fabricate metal oxide semiconductor capacitors in order to investigate the interfacial quality between these narrow bandgap semiconductors and high-k dielectrics. For the investigation of the Nickel metallization process of GeSn and SiGeSn epilayers, Sn concentration above 10 at.% are used. Furthermore, the transition from an indirect to a fundamental direct group IV semiconductor is presented by means of temperature dependent PL measurements on a set of high Sn content GeSn epilayers. Strain relaxed GeSn layers with a Sn concentration of 12.6 at.% grown on Si(001) substrates exhibit high modal gain values at cryogenic temperatures. Finally, the first demonstration of lasing action in direct bandgap group IV Fabry-Perot cavities is presented.

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