Epitaxie und Charakterisierung von neuartigen Halbleiter-Heterostrukturen auf der Basis von unterschiedlichen Strukturtypen des Siliziums
Final Report Abstract
In der zweiten Bearbeitungsphase des Projektes war geplant die Arbeiten weitgehend abzuschließen. Es zeigte sich jedoch, dass gestützt auf Untersuchungen mit der Ultraviolett-Photoelektronen-Spektroskopie (UPS) noch ergänzende Untersuchungen zur Perfektion der Bor-induzierten Si(111)(√3x√3)R30°-Oberflächenstruktur (im Weiteren (√3x√3)) notwendig waren und das Arbeitsprogramm dahingehend geändert werden musste. Die Untersuchungen lieferten wichtige Hinweise auf eine unterschiedliche Perfektion der Oberflächenstruktur in Abhängigkeit von deren Präparation. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen gaben Anlass zu einer Modifizierung der Prozesstechnologie zur Herstellung der Si-Übergitter. Im Einzelnen wurden folgende Ergebnisse erhalten: Die (√3x√3)-Oberfläche präpariert durch Beschichtung mit elementarem Bor zeigt in Abhängigkeit von der Bor-Bedeckung (cB) zwei charakteristische elektronische Oberflächenzustände, die auf Defekte hindeuten. Für cB < 0,5 ML wurden freie Bindungen (dangling bonds) im Zusammenhang mit dem Fehlen von Bor unter Si-Adatomen als typischer Defekt in UPS-Messungen identifiziert, mit einer Energie von 0,4 eV unterhalb des Fermi-Niveaus. Ein in-homogenes Si-Wachstum korrespondiert mit dem Auftreten der freien Bindungen, die hierbei als bevorzugte Keimbildungszentren wirken. Für cB > 0,5 ML wurde ein elektronischer Zustand mit einer Energie von 2,1 eV unterhalb des Fermi-Niveaus gefunden. Dieser trat für cB < 0,5 ML und (√3x√3)-Oberflächen präpariert durch Bor-Oberflächensegregation nicht auf. Dieser Zustand könnte mit einer Bildung von Bor-Clustern (kleine 2-dimensionale Inseln) bei er-höhter Bor-Konzentration auf der Oberfläche in Zusammenhang stehen. Die Cluster scheinen sehr stabil zu sein, was sich durch das Auftreten des Zustandes selbst nach Tempern bei einer Temperatur (T) von 1130 K andeutet. Solch ein Verhalten wurde bisher in der Literatur nicht berichtet und sollte deshalb in weiteren Experimenten näher untersucht und aufgeklärt werden. Darüber hinaus muss untersucht werden, ob diese Inseln auch noch nach dem Si-Wachstum in den Grenzflächen existieren. Elektronische Oberflächenzustände im Zusammenhang mit dem Auftreten von freien Bindungen führen zu einer Fixierung des Fermi-Niveaus (Fermi-level-pinning). Für Oberflächen ohne freie Bindungen wird eine Bandverbiegung von nahezu 1 eV erhalten. Eine weitere Verschiebung der energetischen Lage von Si-Volumenzuständen in den UPS-Spektren tritt für Übergitter-Strukturen auf. Die Verschiebung könnte einerseits durch eine Reduzierung der Energielücke (Bandgap-Narrowing) in Folge der hohen p-Dotierung oberflächennaher Bereiche erklärt werden, andererseits könnte dies ein erster Hinweis auf eine Valenzband-Modifizierung durch die Übergitterstruktur sein. Hierzu sind ebenfalls weiteren Untersuchungen notwendig. Die defektfreie (√3x√3)-Oberflächenstruktur ist bei T < 1130 K stabil. Für T > 1130 K setzt verstärkt Bor-Volumendiffusion ein, verbunden mit der Bildung von Oberflächendefekten. Eine perfekte (√3x√3)-Oberflächenstruktur wurde nach Oberflächensegregation von nominal cB = 0,6 ML, das unter einigen ML Si epitaktisch vergraben wurde, nach thermischer Behand-lung für einige 10 min bei T ≥ 1040 K erhalten. Im Weiteren wurde ein Maskenlayout für die einzelnen Strukturierungsschritte von kleinen Strukturen, sogenannten "Mesas", unterschiedlicher Größe (8-15 μm Kantenlänge) und deren elektrischer Kontaktierung erarbeitet. Die Masken wurden gefertigt und erste Mesa-Strukturen hergestellt. Mit diesen Mesa-Strukturen wurden erste Wachstumsexperimente zur Erzeugung stufenfreier Oberflächen durchgeführt. Die bisher erarbeiteten Wachstumsbedingungen führten zur Realisierung stufenfreier Bereiche von etwa 7x7 μm2 über die Mesa-Oberfläche, was die Möglichkeit eröffnet die Stufen zumindest auf den kleinsten Mesas auszuwachsen. Untersuchungen elektrischer Eigenschaften von zumindest in Teilbereichen homogenen Si-Stapelfehler-Übergittern mit C-V- und I-V-Messungen zeigten eine typische p+n-Dioden-Charakteristik mit einer scharfen Grenzfläche. Aus den C-V-Kennlinien wurde eine Barrieren-höhe von 0,92 eV ermittelt, in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen der UPS-Messungen. Die Auswertung der gemessen I-V-Kennlinien lieferte ein Abweichen der Dio-den-Kennlinie vom idealen Verhalten (Idealitätsfaktor > 2), was auf eine defektreiche Grenzfläche hindeuten könnte. Erste Untersuchungen von inhomogenen Si-Übergittern mit Rama-Spektroskopie zeigten gegenüber Si-Substratmaterial keinerlei Unterschiede. In einem sich anschließendem Projekt ist geplant, die Wachstumsexperimente zur Präparation stufenfreier Mesas fortzusetzen. Auf diesen Mesa-Strukturen sollen homogene Si-Zwillingsübergitter bzw. Polytypen mit unterschiedlicher Periodizität gewachsen und hinsichtlich ihrer elektrischen und elektronischen Eigenschaften (Diodencharakteristik, Bandverlauf, Ladungsträgerbeweglichkeit) genauer untersucht werden. Die wesentlichen Arbeiten im Zu-sammenhang mit Strukturierung der Si-Substrate werden hierbei am „Laboratorium für Nano- und Quantenengineering“ der Universität Hannover durchgeführt. Weitere Arbeiten sind hinsichtlich der Aufklärung der von uns nach Bor-Beschichtung vermuteten Bildung von Bor-Clustern auf der Si-Oberfläche geplant. Gegebenenfalls sollen hier Aussagen zur Struktur und Größe der Bor-Inseln gewonnen werden, sowie Aussagen ob diese noch nach thermischer Behandlung stabil in der Grenzschicht zwischen Si-Epitaxieschicht und Substrat existieren. Hierzu sind ergänzende Untersuchungen mit dem Rastertunnelmikroskop und der Transmissionselektronenmikroskopie in Kooperation mit anderen Arbeitsgruppen innerhalb und außerhalb der Universität geplant.
Publications
- Molecular beam epitaxial growth of Si on heavily broron-doped Si(111) surface: From initial stages to the growth of Si polytypes, Proceedings Conference on Optoelectronic and Microelectronic Materials and Devices (IEEE, COMMAD 2008), art. no. 4802113, pp. 148-151
A. Fissel, J. Krügener, E. Bugiel, T. Block, H.J. Osten
- Influence of boron on the initial stages of Si molecular beam epitaxy on Si(111) studied by reflection high-energy electron diffraction, Surface Science 603 (2009) 477-481
A. Fissel, J. Krügener, H.J. Osten
- Preparation and Properties of Si nanostructures, Seminar des Instituts für Silizium-Photovoltaik, Helmholtz Zentrum Berlin, Berlin, 05.11.2009
A. Fissel
- Role of boron and surface defects on the growth mode of Si on Si(111): A photoemission and electron diffraction study, 12th International Conference on the Formation of Semiconductor Interfaces (ICFSI-12), Session: Surfaces & Deposition, Weimar, July 5 -10, 2009
A. Fissel, J. Krügener, D. Schwendt, H. J. Osten
- Influence of surface preparation conditions on the sur-face defect structure of boron-covered Si(111): An ultraviolet photoelectron spectroscopy study, 37th Conference on the Physics and Chemistry of Surface and Interfaces (PCSI-37), Session: Surface Phenomena, New Mexico, USA, January 10 -14, 2010
J. Krügener H.J. Osten, A. Fissel
- Nano engineering at artificial structures, NanoDay 2010 des Laboratoriums für Nano- und Quantenengineering (LNQE), Leibniz Universität Hannover, Hannover, 30.09.2010
J. Krügener, H.J. Osten, A. Fissel
- Role of boron and (√3x√3)-B surface de-fects on the growth mode of Si on Si(111): A photoemission and electron diffraction study, Physica Status Solidi A 207 (2010) 245-253
A. Fissel, J. Krügener, D. Schwendt, H.J. Osten
- Towards controlled molecular beam epitaxial growth of artificially stacked Si: Study of boron adsorption and surface segregation on Si(111), 16th International Conference on Molecular Beam Epitaxy (MBE 2010), Symposium: Growth Fundamentals, Berlin, August 22 -27, 2010
A. Fissel, J. Krügener, H.J. Osten
