Epitaxy of group IV Si-Ge-Sn alloys for advanced heterostructure light emitters

von den Driesch, Nils; Stampfer, Christoph; Mantl, Siegfried

doi:HT019602255

Epitaxy of group IV Si-Ge-Sn alloys for advanced heterostructure light emitters = Epitaxie von Heterostrukturen für fortschrittliche Lichtemitter auf Basis von Gruppe IV Si-Ge-Sn-Legierungen

von den Driesch, Nils^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeNils von den Driesch

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek 2018

Umfang1 Online-Ressource (viii, 149 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Schlüsseltechnologien/key technologies ; 163

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mantl, Siegfried (Thesis advisor)^RWTH* ; Stampfer, Christoph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-02-02

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-221225
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/717204/files/717204.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
GeSn (frei) ; SiGeSn (frei) ; direct bandgap (frei) ; epitaxy (frei) ; heterostructures (frei) ; multi quantum wells (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Seit mehreren Jahrzehnten bilden Silizium-basierte (Si) integrierte Schaltkreise die Grundlage der modernen Informationstechnologie. Die allerdings weiterhin ungebrochene Nachfrage nach immer schnellerer und, mittlerweile ebenfalls, energieeffizienter Elektronik verlangt nach neuen Lösungen im Hinblick auf eine geringe Leistungsaufnahme. Die Integration photonischer Bauelemente, beispielsweise um Teile der elektrischen Verbindungen aus Kupfer zu ersetzen, kann die Dissipation auf dem Computerchip stark verringern. Die grundlegende Voraussetzung für aktive optoelektronische Bauelemente, welche allerdings in den Elementen der vierten Hauptgruppe nicht vorhanden ist, ist eine direkte Bandlücke. Kürzlich jedoch ist mit Zinn-basierten Gruppe IV-Verbindungen -- genauer Germanium-Zinn-Legierungen (GeSn) -- eine vollständig Si-kompatible Lösung präsentiert worden. Es konnte gezeigt werden, dass kubisches GeSn mit Zinn-Konzentrationen oberhalb von etwa 9 at.% eine direkte Bandlücke besitzt. Die Demonstration einer direkten Bandlücke kann allerdings nur ein allererster Schritt auf dem Weg zu vollständig integrierten licht-emittierenden Bauelementen sein. Im Rahmen dieser Arbeit sollen einige der verbleibenden Hürden und Aspekte untersucht werden. Die untersuchten Si-Ge-Sn Legierungen wurden mithilfe chemischer Gasphasenabscheidung bei reduzierten Druck hergestellt, wobei 200 mm Si-Wafer (teilweise mit Ge-Pufferschichten) als Substrate verwendet wurden. GeSn-Schichten mit substitutionell eingebauter Sn-Konzentration von bis zu 14 at.% - ein einphasiges Gemisch von Ge und Sn ist bis maximal 1 at.% Zinn thermodynamisch stabil - wurden epitaktisch gewachsen um die Wachstumskinetik näher zu beleuchten. Der notwendige Abbau der internen Verspannung des Materials konnte untersucht werden, indem bis zu 1 µm dicke Schichten hergestellt wurden, was deutlich oberhalb der kritischen Dicke für plastische Spannungsrelaxation liegt. Der Einfluss von Zinn-Konzentration und Verspannung des Materials auf die optischen Eigenschaften wurde mithilfe von temperaturabhängiger Photolumineszenz- und Absorptionsspektroskopie erforscht. Lichtemission im mittleren Infrarotbereich von bis zu 3.4 µm (0.37 eV) konnte bei Raumtemperatur beobachtet werden. Insgesamt erlaubt das untersuchte GeSn-Materialsystem einen breiten Infrarot-Bereich bis etwa 2 µm (0.60 eV) abzudecken, was es auch für eine Vielzahl chemischer oder biologischer Sensoren attraktiv macht. Eine weitere wichtige Methode in der Herstellung effizienter Halbleiterlichtquellen ist es, die Ladungsträger mit Hilfe von Heterostrukturen in der aktiven Schicht einzuschließen. Aus diesem Grund wurde ebenfalls das Wachstum des ternären Silizium-Germanium-Zinn-Systems (SiGeSn) untersucht, welches aufgrund seiner größeren Bandlücke bereits in früheren Arbeiten als ideales System für die äußeren Schichten der Heterostruktur identifiziert wurde. Der zusätzliche sich ergebende kompositionelle Freiheitsgrad wurde genutzt, um eine Abstimmbarkeit der Bandlücke zu demonstrieren, individuell für Si-Gehalt, Sn-Gehalt, sowie die Verspannung des Materials. Das Kombinieren von binären GeSn- und ternären SiGeSn-Schichten ermöglicht die Demonstration verschiedener Dioden. Verschiedene Typen von Leuchtdioden, einerseits aus GeSn-Homostrukturen, andererseits auch aus Mehrfach-Quantentopf-Heterostrukturen (MQW-Strukturen) bestehend, wurden epitaktisch gewachsen, bevor ihre Emissionseigenschaften untersucht wurden. Ein Nachteil der untersuchten LEDs ist allerdings, dass keine von denen eine klar direkte Bandlücke aufweist. Schlussendlich wurden mehrere (jedoch undotierte) GeSn/SiGeSn Doppel-Heterostrukturen und MQW-Strukturen untersucht, welche allesamt eine direkte Bandlücke besitzen. Die essentielle Bedeutung von Kristalldefekten, bzw. deren Separation von der aktiven Schicht, ist in beiden Strukturen untersucht und herausgestellt worden. Die exzellenten strukturellen Eigenschaften der gewachsenen Schichten konnten mit komplexen Charakterisierungsmethoden, wie der Atomsonden Tomographie oder Elektronenholographie, gezeigt werden. Photolumineszenzmessungen, welche durchgeführt wurden um die optische Güte der Schichten zu bewerten, zeigten eine deutlich verstärkte Emission der MQW-Strukturen, verglichen mit einfachen GeSn-Schichten.

Over the last decades, silicon-based integrated circuits underpinned information technology. To keep up with the demand for faster and, becoming increasingly more relevant nowadays, energy-efficient electronics, smart solutions targeting power consumption are required. Integration of photonic components, e.g. for replacing part of copper interconnects, could strongly reduce on-chip dissipation. Prerequisite for efficient active optoelectronic devices, however not available in group IV elements, is a direct bandgap. Only recently though, a truly silicon-compatible solution was demonstrated by tin-based group IV GeSn alloys, which offer a direct bandgap for a cubic lattice and Sn concentrations above 9 at.%. Nevertheless, when moving from an experimental direct bandgap demonstration towards readily integrated light emitters, plenty of challenges have to be overcome. In this work, some of the remaining key aspects are investigated. Reduced-pressure chemical vapor deposition on 200 mm (Ge-buffered) Si wafers was used to form the investigated Si-Ge-Sn alloys. GeSn layers with subtitutionally incorporated Sn concentrations up to 14 at.%, considerably exceeding the solid solubility limit of 1 at.% Sn in Ge, were epitaxially grown to study growth kinetics. The necessary strain relieve in GeSn binaries was studied growing layers with thicknesses up to 1 µm, well above the critical thickness for strain relaxation. Influence of both, Sn incorporation and residual strain, on the optical properties was probed using temperature-dependent photoluminescence and reflection spectroscopy. Mid infrared light emission was found at wavelengths as long as 3.4 µm (0.37 eV) at room temperature. Overall, the investigated GeSn material system allows to cover a range up to about 2 µm (0.60 eV), making these binaries also interesting for a multitude of chemical and biological sensing applications. Efficient light sources further require the confinement of carriers in heterostructures. Therefore, also epitaxy of SiGeSn ternaries, which previously have been identified as optimal larger bandgap claddings, was scrutinized. The additional degree of compositional freedom was demonstrated by bandgap engineering, individually using strain relaxation, Si and Sn composition. Combining GeSn binaries and SiGeSn ternaries allowed formation of different diode structures. Light emitting diodes, both from GeSn homojunctions and multi quantum well heterojunctions, were epitaxially grown and studied for their emission characteristics. One drawback in these structures, however, is that they do not just yet feature a direct bandgap. Finally, several (so far undoped) direct bandgap GeSn/SiGeSn double heterostructures and multi quantum wells were investigated. The importance of defect engineering, that is separation of unavoidable misfit defects and active device regions, is stressed and fathomed for both designs. Excellent structural properties of the grown layers were proven by advanced characterization techniques, such as atom probe tomography or dark-field electron holography. Photoluminescence measurements were carried out to probe the optical quality of those structures, revealing strongly enhanced light emission from MQW structures, compared to bulk GeSn layers.

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