Investigation of GeSn as novel group IV semiconductor for electronic Applications

Schulte-Braucks, Christian; Mantl, Siegfried; Wuttig, Matthias

doi:37050

Investigation of GeSn as novel group IV semiconductor for electronic Applications = Untersuchung von GeSn als neuartiger Gruppe IV Halbleiter für elektronische Anwendungen

Schulte-Braucks, Christian^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeChristian Schulte-Braucks

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (xx, 165, XII Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-312-9

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Schlüsseltechnologien / key technologies ; 168

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

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

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Mantl, Siegfried (Thesis advisor)^RWTH* ; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-223259
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/721718/files/721718.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ge (frei) ; GeSn (frei) ; Schottky barrier (frei) ; TFET (frei) ; band to band tunneling (frei) ; direct bandgap (frei) ; high-k (frei) ; mobility (frei) ; semiconductor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In den letzten Jahren haben einkristalline GeSn Halbleiterverbindungen deutliches wissenschaftliches Interesse erregt, besonders nachdem 2015 GeSn mit ausreichend hohem Sn-Gehalt und hoher Kristallqualität als direkter Halbleiter experimentell nachgewiesen wurde. Während verbesserte optische Eigenschaften bei einem direkten Material naheliegen, werden für GeSn auch verbesserte elektrische Eigenschaften erwartet, wie z.B. erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeiten und Band-zu-Band-Tunnelraten, welche für Metal-Oxid-Halbleiter-Transistoren bzw. für Tunnelfeldeffekttransistoren von Vorteil sind. Die neuartigen GeSn Halbleiter stellen damit ein interessantes Materialsystem dar, welches ein neues Forschungsfeld zur Untersuchung dessen physikalischer, elektrischer, optischer und chemischer Eigenschaften eröffnet. Allerdings verlangt die Neuheit des Materialsystems auch die Entwicklung, Anpassung und Verifizierung aller Prozessschritte zur Herstellung GeSn-basierter Halbleiterbauelemente. Diese Arbeit konzentriert sich in erster Linie auf die elektrischen Eigenschaften von GeSn, deren Abhängigkeiten vom Sn-Gehalt sowie mögliche Anwendungen in elektronischen Bauelementen. Die Bausteine von Feldeffekttransistoren werden einzeln erforscht. Mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie erfolgt zunächst die Untersuchung der Reinigung der GeSnOberfläche vor der Abscheidung des Dielektrikums sowie die Untersuchung der Oberflächenmanipulation beim selektiven Ätzen von Ge zu GeSn. Zur Verwendung als elektrischer Kontakt in GeSn-basierten Bauelementen werden NiGeSn-Verbindungen strukturell, mittels Röntgenbeugung und elektrisch, mittels Strom-Spannungsmessungen, charakterisiert. Schottky-Barriere, Schichtwiderstand und spezifischer Kontaktwiderstand werden extrahiert. Sehr kleine Schottky-Barrieren von Minimum 0.06 eV werden beobachtet. Erstmals ist es gelungen, die NiGeSn/GeSn Schottky-Barriere mittels Dotierstoffsegregation einzustellen. Als nächster Bausteinwerden Metal-Oxid-Halbleiter-Kondensatoren umfangreich untersucht. Dielektrikum/GeSn-Grenzflächendefektdichten werden für einen breiten Sn-Gehaltbereich extrahiert. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf dem Einfluss der Bandstruktur des GeSn auf die Kapazitäts-Spannungscharakteristika. Es wird ein grundlegender Zusammenhang zwischen der Sn-induzierten Verringerung der Bandlücke und der Minoritätsladungsträgerantwort beobachtet. Die maximal erzielte, flächennormierte Kapazität beträgt ca. 3 μF/cm². Als Schritt in Richtung GeSn-basierter Tunnelfeldeffekttransistoren werden Esaki-Dioden (Tunneldioden) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Die Esaki-Dioden verfügen über einen negativen differentiellen Widerstand mit einem Verhältnis aus lokalem Strommaximum und -minimum von 2.3, was als experimenteller Beweis von Band-zu-Band-Tunneln zählt. In Ge0.89Sn0.11 p-i-n-Dioden werden erhöhte Band-zu-Band-Tunnelraten im Vergleich zu Ge beobachtet, was auf die verringerte und direkte Bandlücke zurückgeführt wird. Auf Grundlage dieser Arbeiten werden schließlich vertikale Ge0.93Sn0.07/Ge Tunnelfeldeffekttransistoren realisiert und umfangreich charakterisiert, wobei Band-zu-Band-Tunneln und defektunterstütztes Tunneln als Hauptbeiträge zum Transistorstrom nachgewiesen werden. Abschließend dienen Hall-Messungen dem experimentellen Nachweis erhöhter Elektronenbeweglichkeiten in GeSn mit direkter Bandlücke. Mit bis zu 4600 cm²/Vs stellen diese die bis jetzt höchsten Volumenladungsträgerbeweglichkeiten in der IV-Hauptgruppe, bei einem Dotierniveau von ca. 2.9∙10^17 1/cm³ dar.

Within the last few years single crystalline GeSn semiconductor alloys aroused significant scientific interest, especially since 2015, when GeSn with sufficiently high Sn content and crystalline quality was demonstrated as fundamentally direct bandgap group IV semiconductor. While enhanced optical properties are evident for direct bandgap materials compared to the fundamentally indirect Ge and Si group IV semiconductors, also enhanced electrical properties like increased carrier mobilities and enhanced band-to-band tunneling are expected for direct bandgap GeSn which are beneficial for metal-oxide-semiconductor transistors and tunnel field-effect transistors, respectively. The novel GeSn semiconductor alloys thereby manifests a fascinating emerging material system allowing a wide scope to study its fundamental physical, electrical, optical and chemical properties. On the other hand the novelty of the material system demands the re-development or modification and verification of all steps necessary to build GeSn based semiconductor devices. A comprehensive study is presented, focusing on the electrical properties of GeSn, their dependence on Sn content and possible applications in novel electronic devices. The building blocks of field-effect transistors are studied individually. GeSn surface composition and manipulation are investigated via X-ray photoemission spectroscopy to study pre-high-k deposition cleaning and highly selective Ge/GeSn etching processes. NiGeSn alloys for the use as electrical contacts of GeSn devices are structurally and electrically characterized using X-ray diffraction, transmission electron microscopy and temperature dependent current voltage measurements, respectively. Schottky barrier height, sheet resistance and specific contact resistivity are extracted. The modification of the NiGeSn/GeSn Schottky barrier height via dopant segregation is demonstrated for the first time. Schottky-barrier heights as low as 0.06 eV are observed. As a next module metal-oxide-semiconductor capacitors are comprehensively studied. High-k/GeSn interface trap densities are extracted for a wide range Sn contents. The focus is placed on the effect of the electronic band structure of GeSn on the capacitance voltage characteristics. Fundamental trends demonstrating the correlation of Sn-induced bandgap shrinkage and minority carrier response are observed. Furthermore a maximum capacitance of approx. 3 µF/cm² is achieved. As a step towards GeSn based tunnel field-effect transistors, Esaki diodes (tunnel diodes) are fabricated and electrically characterized. Negative differential resistance with a peak-to-valley current ratio of 2.3 is observed as an experimental proof of band-to-band tunneling. Enhanced band-to-band tunneling rates are observed in Ge0.89Sn0.11 p-i-n diodes compared to Ge taking advantage of the low and direct bandgap. These studies lead to the realization of vertical heterojunction Ge0.93Sn0.07/Ge tunnel field-effect transistors. An extensive analysis is provided identifying the various contributions to the overall transistor current, particularly band-to-band tunneling and trap-assisted tunneling. Finally, Hall measurements are presented, showing enhanced electron mobilities in direct bandgap GeSn as compared to Ge. With up to 4600 cm²/Vs this marks the highest bulk electron mobilities at the respective doping level of 2.9∙10^17 1/cm³ in a group IV semiconductor so far.

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