Neue Strategien zur Reduktion der Versetzungsdichte bei der monolithischen III/V Epitaxie auf Si

• Antragsteller: Dr. Achim Trampert
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446180337

Die erfolgreiche Integration von III-V-Halbleitern auf Silizium wird voraussichtlich einen großen Einfluss auf die Realisierung von hochvolumigen / kostengünstigen, integrierten Schaltkreisen haben. Photonische Chips, die auf ausgereiften Fähigkeiten der Silizium-Photonik basieren, werden zusammen mit III-V-Lasern schon bald Einfluss gewinnen, wenn es um optische Verbindungen oder Lab-on-Chip-Sensoren geht. Während die heterogene Integration - bei der das III-V-Bauteil mit dem Si-Schaltkreis gebondet wird - bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt hat, ist ein direktere Integration sehr wünschenswert, um so die Ausbeute und Integrationsdichte zu verbessern und die Kosten der Bauelemente zu senken. In diesem Zusammenhang wurde im letzten Jahrzehnt die monolithische Integration durch epitaktisches Wachstum von hochwertigen III-V-Heterostrukturen direkt auf Si intensiv vorangetrieben. Die Hauptherausforderung dabei bleibt die drastische Reduzierung der Fadenversetzungsdichte (TDD). Diese Liniendefekte entstehen an der III-V/Si-Grenzfläche aufgrund der großen Gitterfehlanpassung und breiten sich durch die Epischicht aus, was die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Bauelements stark beeinträchtigt. Trotz erheblicher Arbeiten in den letzten Jahren sind immer noch TDDs im Bereich von 109 bis 1010 /cm2 bei einer Schichtdicke von etwa 1 Mikrometer vorhanden. Im Projekt soll eine radikal neue Design- und Wachstumsstrategie entwickeln werden, mit dem Hauptziel, die TDDs auf unter 105 /cm2 zu reduzieren. Das bahnbrechende Konzept beruht darauf, auf kontrollierte Weise eine Wechselwirkung zu initiieren, die zwischen den Fadenversetzungen und den Anti-Phasen-Grenzen oder Fehlanpassungsversetzungsnetzwerken an den Grenzflächen zwischen speziell entworfenen Zwischenschichten entstehen. Die Zwischenschichten können direkt an der III-V/Si-Grenzfläche oder innerhalb der III-V-Pufferschicht eingefügt werden und sollen als Senke für die Fadenversetzungen dienen. Zu diesem Zweck werden MBE-Wachstumsstrategien und neue Strukturdesigns vorgeschlagen, die auf umfangreichen Untersuchungen beruhen, die mit modernen Techniken der Transmissionselektronenmikroskopie durchgeführt werden. Die Fortschritte bei der TDD-Reduzierung werden durch die Herstellung und Erprobung von Lasern bewertet. Das hier verwendete III-V-Material wird GaSb sein – ein Basismaterial in vielen optoelektronischen Bauelementen im Infraroten. Es wird erwartet, dass die auf der Grundlage einer detaillierten Mikrostrukturanalyse abgeleiteten Filterdesignregeln, sowie die im Rahmen des Projekts entwickelten Wachstumstechniken auch auf andere Verbindungshalbleiterfamilien anwendbar sind und somit einen großen Einfluss auf ein breites Spektrum von Anwendungen von der Daten-/Telekommunikation bis hin zur Sensorik haben. Zusätzlich ist die entwickelte Methodik der „dynamischen Mikroskopie in 3D“ an sich schon ein wichtiger Schritt zu einer vollständigen Bestimmung der Struktur-Funktions-Beziehung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Dr. Jean-Baptist Rodriguez