Epitaktisches Ge auf SiGe-Buffer auf porösem Si-Template - EpiPorT

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Bett
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514509471

Nachdem die Halbleiterindustrie viele Jahrzehnte von der Silizium-Technologie dominiert wurde, hat in den letzten Jahren das Interesse an Germanium wieder zugenommen. Dies liegt daran, dass bei immer weiter abnehmender Bauteil-Größe (z. B. von MOSFETs) Si an seine Grenzen kommt, was die Leitfähigkeit bzw. die Mobilität der freien Ladungsträger betrifft. In dieser Hinsicht ist Ge eine sehr attraktive Alternative, weil es dreimal so hohe Mobilitäten und damit Leitfähigkeiten bei gleicher Dotierung aufweist wie Si. Es ist daher sowohl aus wissenschaftlicher Perspektive als auch für die Industrie von großem Interesse, eine Möglichkeit zu finden, dünnes (materialsparend) und qualitativ hochwertiges Ge direkt auf Si zu integrieren. Über die Si basierte Halbleiterindustrie hinaus könnte solch ein Prozess auch eine Brücke für die Herstellung von elektronischen Bauteilen aus III-V-Halbleitern (wie z. B. LEDs oder hocheffiziente Solarzellen) auf Si werden. Bisher werden viele III-V-Halbleiterstapel aufgrund der guten Gitteranpassung auf Ge-Wafern hetero-epitaktisch aufgewachsen. Eine dünne Schicht aus Ge auf Si würde als Wachstumsvorlage für den III-V-Halbleiterstapel jedoch ausreichen. Eine Anpassung der Gitterkonstanten von 5.431 Å (Si) zu 5.658 Å (Ge) und damit eine Integration von hochwertigen Ge-Schichten auf Si kann mit Hilfe mehrerer metamorpher SixGe1-x-Zwischenschichten realisiert werden. Die Technik metamorpher Zwischenschichten für das Wachstum von III-V-Halbleitern auf Si wurde bereits grundsätzlich demonstriert, ist jedoch durch Verspannungseffekte und zahlreiche Kristalldefekte limitiert. Der Ansatz von EpiPorT besteht nun darin, das Wachstum von Ge auf metamorphen SixGe1-x-Zwischenschichten und das Wachstum von Ge auf porösem Si zu kombinieren. Sowohl die porosizierte Schicht im Si Wafer als auch die epitaktisch gewachsene SixGe1-x-Zwischenschicht sind dabei für die exakte Gitteranpassung zwischen Si-Wafer und aktiver Ge-Schicht zuständig. Auch die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Materialien können mit diesen beiden Ansätzen angepasst werden. Für die Porosizierung soll ein elektro-chemisches Ätzverfahren angewendet werden. Die SixGe1-x-Zwischenschicht und das Ge sollen mittels chemischer Gasphasen-Abscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) aus Cl-basierten Prekursor-Gasen (GeCl4, SiHCl3) hergestellt werden. Diese Abscheidemethode verwendet das hochreine Ausgangsmaterial für alle Ge Technologien (GeCl4), nutzt das Gas sehr effizient aus und führt zu hohen Wachstumsraten bei gleichzeitig sehr guter kristallographischer Schichtqualität. Der in diesem Antrag beschriebene Ansatz wurde bisher noch nicht realisiert und ist daher riskant. Sollte er allerdings zu Si/SixGe1-x/Ge-Schichten mit verbesserter kristallographischer Qualität führen, so eröffnet sich dadurch ein breites Forschungsfeld zur Integration von Ge und III-V-Halbleitern auf der Si-Wafertechnologie.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen