Realisation of artificial three-dimensional Ge quantum dot crystals by extreme ultraviolet interference lithography and molecular-beam epitaxy
Final Report Abstract
Quantenpunkte (QP) oder “künstliche Atome”, die auf dem Si/Ge Heterosystem basieren, sind hochinteressante Objekte mit einzigartigen elektronischen und optischen Eigenschaften. Die Herstellung von dicht-gepackten und wohl-geordneten QP-Strukturen ermöglicht die Realisierung eines neuen Typs von Festkörpern, sogenannte künstliche Kristalle (QPCs), mit einer in der Natur nichtexistenten Energiestruktur. Solche QPCs erlauben nicht nur die Herstellung neuartiger SiGe-Bauelemente, sondern ermöglichen auch Grundlagenforschung hinsichtlich fundamentaler Fragen des Quantentunnelns in 0-dimensionalen Systemen, Coulomb-Blockade-Effekten und der Photon-Elektron-Phonon-Wechselwirkung in diesem technologisch und wissenschaftlich relevanten Materialsystem. In dem durchgeführten Projekt wurden künstliche SiGe QPCs mittels Extrem-Ultraviolett- Interferenzlithographie (XIL) und Molekularstrahlepitaxie (MBE) realisiert. In diesem Vorhaben wurde zur Nanostrukturierung der Substrate ein autonomes XIL-System angepasst und eingesetzt. Das System zeichnet sich durch die Möglichkeit Nanostrukturen mit hoher Qualität direkt über große (>1mm2) Flächen herzustellen aus. Das ausgewählte Interferenzschema basiert auf dem sogenannten achromatischen Talbot Effekt, welcher vor Beginn des Projektes nur mit Synchrotronstrahlung (kohärente Quelle) und für >100 nm Perioden eingesetzt worden war. Im Projekt konnten kleinste Perioden von 70 nm mit einer teilkohärenten, laborbasierten EUV Quelle realisiert werden. Darüber hinaus konnte das theoretische Limit der Methode mit Hilfe umfangreicher Simulationsrechnungen auf der sub-20 nm Skala verortet werden. Für kleinflächige Strukturfelder wurde zusätzlich die Elektronstrahllithographie eingesetzt. Die vorstrukturierten Silizium Substrate wurden dann als Templates für das MBE-Wachstum von geordneten Ge QPs genutzt. Im Laufe des Projektes wurden systematische Untersuchungen des MBE-Wachstums der QP für Perioden zwischen 200 nm und 40 nm durchgeführt – ein Bereich, der früher nicht systematisch adressiert wurde. Das gewonnene fundamentale Verständnis der Wachstumsprozesse ermöglicht ein hochqualitatives Wachstum der QPC auf der sub-40 nm Skala. Auf Basis dieser Untersuchungen wurden erste QPC Kristalle hergestellt, deren Eigenschaften derzeit untersucht werden. Die ersten Ergebnisse deuten aber auf die hohe strukturelle Qualität und Homogenität der Kristalle hin. Zusammenfassend sind in dem Projekt wichtige Grundlagen geschaffen worden, die für die Realisierung von 3D Quantenpunktkristallen und deren weitere Anwendung notwendig sind. Weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet werden es erlauben, das Potenzial dieser neuartigen Materialen zu heben.
Publications
- “Scalability limits of the Talbot lithography with plasma-based extreme-ultraviolet sources”, J. Micro/Nanolith. 12 (3), 033002 (2013)
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(See online at https://dx.doi.org/10.1364/OE.23.025487) - “SiGe quantum dot crystals with periods down to 35 nm”, Nanotechnology, 26 (25), 255302 (2015)
C. Dais, G. Mussler, T. Fromherz, E. Müller, H.H. Solak, D. Grützmacher
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A. Zinovieva, N. Stepina, A. Dvurechenskii, L. Kulik, G. Mussler, J. Moers, D. Grützmacher
(See online at https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.233-234.415) - “Enabling laboratory EUV research with a compact exposure tool”, Proc. SPIE 9776, Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography VII, 97760R (March 18, 2016)
Sascha Brose, Serhiy Danylyuk, Jenny Tempeler, Hyun-su Kim, Peter Loosen, Larissa Juschkin
(See online at https://dx.doi.org/10.1117/12.2219164)
