Characterisation and optimisation of $Si_{y}Ge_{1-x-y}Sn_{x}$ alloys towards integrated thermoelectric devices

Corley-Wiciak, Agnieszka Anna; Capellini, Giovanni; Mayer, Joachim; Grützmacher, Detlev

doi:45029

Characterisation and optimisation of $Si_{y}Ge_{1-x-y}Sn_{x}$ alloys towards integrated thermoelectric devices

Corley-Wiciak, Agnieszka Anna^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Agnieszka Anna Corley-Wiciak M.Sc.Eng

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Grützmacher, Detlev (Thesis advisor)^RWTH* ; Mayer, Joachim (Thesis advisor)^RWTH* ; Capellini, Giovanni (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-10-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10652
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023393/files/1023393.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Heutzutage ist die Kontrolle des Stromverbrauchs und der Wärmeableitung von dicht gepackten Halbleiterbauelementen eine entscheidende Herausforderung in der Entwicklung von Mikrochips und Prozessoren. Ein vielversprechender Lösungsansatz für dieses Problem liegt in der Entwicklung integrierter thermoelektrischer Generatoren (TEGs), welche die Abwärme auf dem Chip in Elektrizität umwandeln. Jedoch sind gebräuchliche thermoelektrischen Materialien oftmals inkompatibel mit CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Prozessen. Ein alternatives Material für CMOS-integrierte aktive On-Chip-Kühler sind Legierungen aus Kohlenstoff (C), Zinn (Sn) und Silizium (Si) mit Germanium (Ge). Aufgrund ihrer direkten Bandlücke und hohen Ladungsträgerbeweglichkeit sind die optoelektronischen Eigenschaften dieser Gruppe-IV-Legierungen intensiv erforscht worden, während ihre thermischen Eigenschaften weniger Beachtung fanden. Die Massenfluktuationen in C:SiyGe1-x-ySnx beeinflussen den Phononentransport und können die thermoelektrische Leistung entscheidend gestalten. Diese Arbeit trägt zur Schließung dieser Wissenslücke durch eine umfassende Charakterisierung der thermischen Eigenschaften von C:(Si)Ge1-xSnx-Legierungen bei, mit Schwerpunkt auf ihrer thermoelektrischen Effizienz. Ziel ist es hierbei, ein vertieftes Verständnis der Mechanismen zu erlangen, welche die Gitterwärmeleitfähigkeit reduzieren und damit Einsicht in das dynamische Verhalten von Phononen in komplexen Halbleiterlegierungen zu gewinnen. Zu diesem Zweck wurde eine systematische Studie ausgeführt, in der die chemische Zusammensetzung, Wachstumsparameter und Versetzungsdichte der Proben variiert wurden. Zunächst wurden kritische Faktoren wie die Nahordnung und Phononeninteraktion in C:(Si)yGe1-x-ySnx durch polarisationsabhängige Raman-Spektroskopie untersucht, womit eine Tendenz zur Abstoßung zwischen Sn-Sn- und Si-Sn-Atompaaren entdeckt wurde. Weiterhin wurden Multiphononenprozess und der Einfluss der Temperatur auf die Raman-Verschiebung in Ge1-xSnx-Schichten erforscht. Dabei zeigte sich, dass der Sn-Gehalt sich nicht wesentlich auf die Phononen-Wechselwirkungen in der Legierung auswirkt. Abschließend wurde die Gitterwärmeleitfähigkeit von Ge1-xSnx mithilfe von Raman-Thermometrie sowie der 3ω-Methode bestimmt. Dadurch wurde eine effiziente Strategie zur Minimierung der Wärmeleitfähigkeit identifiziert, indem der Sn-Gehalt auf ca. 14at.% gesetzt oder die Defektdichte in Legierungen mit geringer Sn-Konzentration erhöht wird. Insgesamt liefern die Ergebnisse dieser Dissertation essentielle Einblicke in die Wechselwirkungen zwischen Stöchiometrie, struktureller Unordnung und Phononendynamik in komplexen Halbleiterlegierungen der Gruppe IV. Zusätzlich zu einem grundlegenden Erkenntnisbeitrag für das System C:SiyGe1-x-ySnx werden Vorschläge zur Entwicklung CMOS-kompatibler Materialien mit maßgeschneiderten thermoelektrischen Eigenschaften formuliert.

Nowadays, a major challenge towards improving the performance of microchips and processors is the management of power consumption and heat dissipation within dense arrays of devices. This issue could potentially be addressed by the development of integrated thermoelectric generators (TEGs), which convert on-chip waste heat into electricity. However, most common thermoelectric materials used today are incompatible with Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) processing. An alternative material platform for CMOS-integrated active on-chip coolers are alloys composed of carbon (C), tin (Sn), and silicon (Si) combined with germanium (Ge). Due to their direct bandgap and high carrier mobility, the electronic and optical properties of these group IV alloys have been the object of intensive research. Meanwhile, their thermal properties have received comparatively little attention. The significant alloy scattering due to mass fluctuations in (C:)(Si)Ge1-x-ySnx alloys affects phonon transport and may play a crucial role in shaping their thermoelectric performance. This thesis helps to close this knowledge gap by investigation of the thermal characteristics of (C:)(Si)Ge1-xSnx alloys, focussing on several factors that impact their thermoelectric efficiency. The major objective is to gain deeper insight into the mechanisms that lead to reduction in lattice thermal conductivity within C:(Si)Ge1-xSnx, thus contributing to a fundamental understanding of the dynamics of phonons in complex semiconductor alloys. For this purpose, a systematic study is carried out by varying the composition, growth conditions, and dislocation density of the samples. Firstly, an in-depth analysis of critical factors such as short-range ordering and phonon interactions in (C:)(Si)Ge1-xSnx is provided through polarisation-dependent Raman spectroscopy. This method allows to reveal a trend of repulsion between Sn-Sn and Si-Sn atomic pairs hasbeen revealed. Secondly, to investigate the multi-phonons interactions, the impact of temperature on the Raman shift in Ge1-xSnx layers was explored. This study did not reveal a significant effect of the Sn content on the phononic interactions of the alloy. Lastly, the thermal conductivity of the Ge1-xSnx lattice was examined using Raman thermometry and the 3ω method. The most effective strategy to minimise thermal conductivity is identified as targeting an Sn content of approximately 14at.% or by enhancing the defect density in alloys with lower Sn concentrations. Together, the results presented in this thesis shed light on how stoichiometry, structural disorder, and phonon behaviour are interconnected in group IV semiconductor alloys. In addition to advancing the fundamental understanding of (C:)(Si)Ge1-x-ySnx, they offer a guidance for engineering materials with tailored thermoelectric properties.

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