Integration von III-V-Halbleitern auf Silizium: Vom Mikrometer- zum Nanometerregime

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Schröder
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254874112

Getrieben von ständig steigenden Forderungen nach höherer Geschwindigkeit und größerer Speicher-kapazität hat die Komplexität der CMOS-Technologie auf Siliziumbasis kontinuierlich zugenommen. Zu einem großen Teil konnten diese Anforderungen durch atemberaubende Fortschritte bei der Miniaturisierung erfüllt werden. In den letzten Jahren jedoch werden im Hinblick auf Energieverbrauch, Datenübertragung und neue Anwendungen in bislang unzugänglichen Bereichen immer dringender zusätzliche Funktionen benötigt. Neue Funktionen implizieren notwendigerweise, dass die Siliziumtechnologie um andere Halbleitermaterialien erweitert wird, deren optische und elektrische Eigenschaften über die von Silizium hinausgehen.Im Hinblick auf seine exzellenten optischen und elektrischen Eigenschaften ist GaAs einer der wichtigsten III-V-Halbleiter. Es ist das Ziel dieses Projekts, das epitaktische Wachstum von auf GaAs basierenden Halbleiterstapeln auf strukturierten Si- und Ge/Si-Substraten mit metall-organischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) zu untersuchen. Dies wird der erste notwendige Schritt für die monolithische Integration von grundlegenden Unterkomponenten optischer Bauelemente wie Wellenleitern, Gitterkopplern und Lasern auf einer Si-CMOS-Plattform sein. Dabei besteht die Herausforderung darin, das Problem der Kristalldefekte zu überwinden, die durch die großen Unterschiede in den Gitterkonstanten und den thermischen Eigenschaften verursacht werden und bislang den Gebrauch einer GaAs-auf-Si-Technologie verhindert haben. Bei unserem Ansatz wird die Epitaxie auf speziell entwickelten Substratstrukturen mit großen Aspektverhältnissen und lateralen Abmessungen erfolgen, die von mehreren Mikrometern bis zu einigen zehn Nanometern reichen. Dies wird es uns ermöglichen, die Entwicklung von Versetzungsstrukturen und Antiphasendomänen als Funktion der Strukturgröße zu untersuchen, die den Übergang von einem im Wesentlichen starren zu einem nachgiebigen Substrat definiert. Die Substratstrukturierung wird die Passivierung der Seitenwände der geätzten Si-Strukturen beinhalten, wodurch selektive Epitaxietechniken für die präzise Positionierung der Verbindungshalbleiterstapel sowohl direkt auf Si als auch auf selektiv gewachsenen Ge-Pufferstrukturen möglich werden.Der Zusammenhang zwischen der Strukturgeometrie und Defektstruktur wird mit strukturellen, analyti-schen und optischen Techniken wie Transemissionselektronenmikroskopie (TEM), Atomsondenmessungen, hochaufgelöster Röntgenbeugung (HR-XRD) inklusive Nanobeugung mit Synchrotronstrahlung, Mikro-Raman und Photoluminszenzspektroskopie untersucht werden.Wir beabsichtigen, spezielle Teststrukturen zu entwerfen, um die Tauglichkeit epitaktischer III-V-Materialien auf fehlangepassten Si-Substraten nachzuweisen. Als vorbereitenden Schritt für die Fertigung monolithisch integrierter Laser auf CMOS-prozessierten Wafern werden es diese Teststrukturen erlauben, die Laseraktivität bei optischem Pumpen zu bestimmen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Alex Dommann; Professor Dr. Hans-Markus von Kaenel; Dr. Marta-Dacil Rossell Abrodos