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

• Antragsteller: Professor Dr. H. Jörg Osten
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389061803

Die Integration von Germanium in die Silizium-basierte Halbleitertechnologie eröffnet die Möglichkeit, die Strukturverkleinerung in der CMOS-Technologie durch die Einführung von Germanium-MOSFETs mit hoher Kanalbeweglichkeit fortzuschreiben oder das Anwendungsspektrum ebendieser Technologie um optoelektronische Schaltkreise auf Germanium-Basis zu erweitern. Darüber hinaus eignen sich relaxierte Germaniumschichten auf Silizium als virtuelle Substrate für III-V-Materialien, was auch neue Möglichkeiten im Bereich der Photovoltaik eröffnet.Wegen der unterschiedlichen Gitterkonstanten führt direktes Wachstum von Germanium auf Silizium zur Bildung dreidimensionaler Inseln und zahlreicher Kristalldefekte. Bauelementtaugliche Schichten können mit Pufferschichten mit gradiertem Germaniumgehalt erzielt werden. Auch eine stark reduzierte Wachstumstemperatur führt zu glatten Germaniumfilmen, die bei höheren Temperaturen ausgeheilt werden müssen. Die erste Methode krankt an den sehr großen Pufferdicken, die zweite leidet unter der Interdiffusion von Silizium und Germanium beim Ausheilschritt. Die Inselbildung beim Wachstum kann auch durch die Verwendung von Surfactants verhindert werden. Leider sind die geeignetsten Surfactants Dotierstoffe für Germanium und Silizium, so dass ihr Einbau beim Wachstum eine Hintergrunddotierung bewirkt.Ziel dieses Projektes ist die Nutzung von Kohlenstoff-Deltaschichten als Defektfilter bei der Epitaxie dünner relaxierter Germaniumschichten auf Siliziumsubstraten. Ausgangspunkt ist die kürzlich von uns entwickelte Kohlenstoff-unterstützte Epitaxie. Sie verbindet das Wachstum bei tiefen Temperaturen mit der inselhemmenden Wirkung von Kohlenstoff-Submonolagenbedeckungen und ermöglicht so die Herstellung von extrem dünnen, glatten relaxierten Germaniumschichten auf Silizium ohne das Risiko einer Hintergrunddotierung. Erste Untersuchungen deuten darauf hin, dass eingebaute Kohlenstoff-Deltaschichten die vertikale Ausbreitung von Versetzungen in der Germaniumschicht blockieren. Im Fokus dieses Vorhabens steht die Untersuchung der zu Grunde liegenden Mechanismen dieses Effektes. Eine Optimierung von Anzahl und Abstand der Kohlenstoff-Deltaschichten, sowie der in den einzelnen Kohlenstoff-Deltaschichten benötigten Kohlenstoffmenge sollte zu Germaniumschichten mit bestmöglichen strukturellen Eigenschaften bezüglich Rauheit und Defektdichte führen. Einen zweiten Schwerpunkt des Projektes bilden Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften der mittels Kohlenstoff-unterstützter Epitaxie gewachsenen Germaniumschichten. Insbesondere ist zu klären, ob der Kohlenstoff die Ladungsträger-beweglichkeit beeinflusst und inwiefern zusätzliche Ladungsträgerrekombination auftritt, die zu erhöhten Sperrströmen in pn-Übergängen führen könnte. Als Ergebnis des Projekts wird eine Bewertung der erreichbaren Leistungsmerkmale und der praktischen Einsetzbarkeit der mit den entwickelten Verfahren hergestellten relaxierten Germaniumschichten angestrebt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen