Einfluss von strukturellen Veränderungen auf dielektrischen Eigenschaften von epitaktischen Seltenen-Erden-Oxiden auf Silizium
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In jüngster Zeit wurden auf dem Gebiet der Silizium-Nanoelektronik erste viel versprechende Erfolge mit verschiedenen gitterangepasst epitaktisch gewachsenen Isolator/Silizium Heterostrukturen erzielt. Dabei zeigte es sich, dass dünne kristalline Schichten auf Si-Substraten zum Teil deutlich höhere Dielektrizitätszahlen aufweisen als für Volumenkristalle bekannt ist. Die Ursachen für diese Phänomene sind bisher nicht bekannt. Vermutet wird ein Einfluss struktureller Veränderungen auf dielektrische Eigenschaften bzw. eine Erhöhung der Polarisierbarkeit aufgrund von Symmetrieerniedrigung in Folge der Gitterdeformation oder durch strukturelle Phasentransformationen. Das Ziel der beantragten Forschungsarbeiten bestand in der Gewinnung eines vertieften Verständnisses des Zusammenhangs von Struktur und dielektrischen Eigenschaften von kristallinen Seltenen-Erden-Oxiden. Durch systematische Untersuchungen konnte ein Zusammenhang zwischen den dielektrischen Eigenschaften der epitaktischen Seltene-Erdenoxiden Gd2O3 auf Si(111) und den durch das Wachstum verursachten Schichtspannungen aufzeigt werden. Berechnungen zeigen, dass eine mögliche Ursache der Erhöhung der Dielektrizitätskonstante in einer spannungsinduzierten Phasenumwandlung des kubischen Gd2O3 (Bixbyite-Struktur) in eine monokline oder hexagonale Phase begründet ist. Eine einfache pseudomorphe tetragonale Verzerrung des eigentlich kubischen Gitters konnte durch detaillierte Röntgenbeugungs-Untersuchungen ausgeschlossen werden. Hierzu wurde insbesondere das im Rahmen dieses Projektes neu aufgebaute Verfahren der hochauflösender Grazing Incidence Röntgendiffraktometrie (GID) genutzt. Weiterhin konnten wir zeigen, dass ein Spannungsabbau in den Schichten, hervorgerufen durch die Relaxation mit zunehmender Schichtdicke, bei Dicken oberhalb von 8 nm zu Dielektrizitätszahlen führt, wie sie für Volumenmaterial bekannt sind. Derartige relaxierte Schichten zeigen wieder die typische Bixbyite-Struktur. Ein ideales Modellsystem zur Untersuchung des Spannungseinflusses stellen ternäre Mischungen aus Gadolinium- und Neodymiumoxid dar. Aufgrund der gleichen Gitterstruktur sowie der nur geringfügig verschiedenen Atomgrößen sind beide Oxide isomorph mischbar. Durch die Möglichkeit, ternäre (Gd1-xNdx)2O3 (mit x = 0…1) Mischschichten auf Silizium zu wachsen, konnten wir die Gitterfehlanpassung und damit die eingebaute Spannung durchstimmen, d.h. wir konnten epitaktische Schichten wachsen und untersuchen, die unter Zugspannung, unter Druckspannung bzw. für x~ 18,5 % völlig spannungsfrei waren. Neben den grundlegend neuen Erkenntnissen wurde hiermit eine Möglichkeit aufgezeigt, wie man dielektrische Eigenschaften von kristallinen Isolatoren gezielt für die Anwendung in neuartigen Bauelementen einstellen kann. In einem weiteren Arbeitspaket wurde der Einfluss von eingebauten Stickstoffatomen auf die dielektrischen Eigenschaften untersucht. Erste Ergebnisse zeigen eine signifikante Reduzierung des Leckstromverhaltens im Vergleich zu ansonsten identisch gewachsenen, stickstofffreien Schichten. Gleichzeitig wurde ein Anstieg der Dielektrizitätskonstante sowie eine Reduzierung der Bandlücke durch den Stickstoffeinbau beobachtet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Impact of carbon incorporation into epitaxial Gd2O3 thin films on silicon: An experimental study on electrical properties. Appl. Phys. Lett. 99 (2011) 152902
A. Laha, B. Ai, P. R. P. Babu, A. Fissel, and H. J. Osten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3646104) - Strain-induced enhancement of the dielectric constant for thin, crystalline rare earth oxides on silicon. Appl. Phys. Lett. 100 (2012) 232905
D. Schwendt, H. J. Osten, P. Shekhter, and M. Eizenberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4727893) - Effective control on flat band voltage of epitaxial lanthanide oxide based MOS capacitors by interfacial carbon. Appl. Phys. Lett. 102 (2013) 202902
A. Laha, A. Fissel, and H.J. Osten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4807588) - Improving dielectric properties of epitaxial Gd2O3 thin films on silicon by nitrogen doping. Appl. Phys. Let. 102 (2013) 022904
A.R. Chaudhuri, A. Fissel, V. R. Archakam, and H. J. Osten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4775688) - Investigation of band offsets and dc leakage properties of nitrogen doped epitaxial Gd2O3 thin films on Si. J. Appl. Phys. 113 (2013) 184108
A.R. Chaudhuri, A. Fissel, and H.J. Osten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4804245) - Enhanced Dielectric Properties of Nitrogen Doped Epitaxial Gd2O3 Thin Films on Si. physica status solidi C 11 (2014) 1412
A.R. Chaudhuri, A. Fissel, and H.J. Osten
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssc.201300596) - Tuning Dielectric Properties of Epitaxial Lanthanide Oxides on Silicon. ECS Transactions 61 (2014) 3
H.J. Osten, D. Schwendt, A.R. Chaudhuri, A. Fissel, P. Shekhter, and M. Eizenberg
(Siehe online unter https://doi.org/10.1149/06102.0003ecst)
