Strukturelle und elektrische Bewertung der Wirkung von Kohlenstoff-Deltaschichten zur Defektreduktion bei der Epitaxie von dünnen, relaxierten Germaniumschichten auf Siliziumsubstraten

Die stetige Verbesserung der Silizium-basierten Nanoelektronik erfordert die Entwicklung neuer Materialkonzepte. Die Integration von Germanium in die Silizium-basierte Nanoelektronik ist aus mehreren Aspekten erstrebenswert. Germanium hat höhere Ladungsträgerbeweglichkeiten gegenüber Silizium. Daher erlauben MOSFETs mit Germaniumkanälen auf Siliziumsubstraten höhere Schaltfrequenzen. Weiterhin eignet sich Germanium für optoelektronische Anwendungen integriert auf Siliziumsubstraten. Germanium absorbiert im entscheidenden Wellenlängenbereich, wohingegen Silizium dort transparent ist. Durch die Integration von Germanium auf Silizium ließen sich in einem Prozess optoelektronische logische Bauteile fertigen. Ein dritter entscheidender Forschungspunkt ist die Integration von III-V-Materialien auf Silizium mittels virtueller Germaniumsubstrate. Hieraus ergeben sich auch für die Photovoltaik interessante Möglichkeiten. Eine GaAs/Si-Tandemsolarzelle ermöglicht einen maximalen theoretischen Wirkungsgrad von 42 % [1]https://www.mbe.uni-hannover.de/typo3/#_edn1, eine reine Si-Zelle nur 29,5 %. [2]

Beim direkten Wachstum von Germanium auf Silizium wird durch den Gittermisfit von 4.2 % mechanische Spannung induziert, die bereits nach wenigen Monolagen zur Inselbildung führt. Damit die Germaniumschichten tauglich für Bauelementanwendungen sind, müssen sie möglichst defektarm sein. Es gibt mehrere Verfahren, die die Integration von Ge auf Si ermöglichen. Die verbreitetsten sind: Pufferschichten mit gradiertem Germaniumgehalt, Hochtemperaturausheilung und Surfactant-modifizierte Epitaxie (SME). Die gradierten Puffer erfordern dicke Schichten, wodurch die monolithische Integration an mehreren hundert Nanometer Höhenunterschied scheitert. Die zweite Methode erfordert so hohe Temperaturen, dass Interdiffusion von Si und Ge an der Grenzfläche auftritt. Bei SME wird durch eine aufschwimmende Submonolage eines Drittstoffes (bspw. Sb) die Oberflächenenergie verändert und Inselbildung so verhindert. Leider sind solche Surfactants Dotierstoffe in Germanium und erzeugen eine Hintergrunddotierung.

Eine weitere Methode ist die Kohlenstoff-unterstützte Epitaxie (CME). Diese Technologie wurde kürzlich hier am Institut entwickelt und verbindet das Wachstum bei tiefen Temperaturen mit der inselhemmenden Wirkung von Kohlenstoff-Submonolagenbedeckungen. [3],[4]^{https://www.mbe.uni-hannover.de/typo3/#_edn4} Mit diesem Verfahren sind vollrelaxierte Germaniumschichten ab einer Dicke von 20 nm auf Si(001) möglich. Es zeigte sich hierbei, dass eingebaute Kohlenstoff-Deltaschichten die Ausbreitung von Versetzungen blockieren können.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die dem Blockieren der Defekte zu Grunde liegenden Mechanismen zu untersuchen und zu verstehen. Weiterhin soll untersucht werden, wie sich die Defekte minimieren lassen. Hierzu ist es geplant mit systematischer Variationen von Kohlenstoffgehalt und der Anzahl und relativen Lage der Deltaschichten die Defektdichte zu minimieren. Für die mögliche Anwendung in Bauelementen sind die elektrischen Eigenschaften entscheidend. Daher sollen die elektrischen Eigenschaften der defektreduzierten Schichten, insbesondere ein möglicher Einfluss des Kohlenstoffs, in verschiedenen Bauelementtypen untersucht werden.

https://www.mbe.uni-hannover.de/typo3/#_ednref1

[1] Martin A. Green, "Silicon wafer-based tandem cells: The ultimate photovoltaic solution?," Proc. SPIE 8981, Physics, Simulation, and Photonic Engineering of Photovoltaic Devices III, 89810L (7 March 2014).

[2] William Shockley and Hans J. Queisser, Journal of Applied Physics 32, 510, (1961).

[3] D. Tetzlaff, T.F. Wietler, E. Bugiel und H. J. Osten, Appl. Phys. Lett. 100, 012108 (2012).

[4] D. Tetzlaff: Kohlenstoff-unterstützte Germaniumepitaxie auf Silizium. Dissertation, Gottfried-Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2013.