Halbleiter-Optoelektronik

Diese Forschungsgruppe beschäftigt sich primär mit der Integration alternativer Halbleitermaterialien - insbesondere Gruppe IV (Germanium, GeSi, und (Si)GeSn) - in die Siliziumtechnologie, deren Materialeigenschaften denen des Siliziums im Bereich der Photonik-, Sensorik- und der THz-Anwendungen überlegen erscheinen. Zusätzlich werden siliziumbasierte Quantenmaterialien hinsichtlich ihrer Eignung für neuartige Quantentechnologien evaluiert und optimiert.

In neuen Materialsystemen nimmt die präzise Kontrolle der gewünschten Materialeigenschaften eine zentrale Rolle ein, um eine Leistungssteigerung der anvisierten Bauteile zu erreichen. Ein Beispiel hierzu ist das innovative SiGeSn-Materialsystem, das für künftige Anwendungen  im Bereich der Halbleiter-Optoelektronik intensiv erforscht wird. Neben dem Wachstum von SiGe(Sn)-Schichtsystemen entsprechender Qualität auf Silizium stellt auch deren detaillierte Materialcharakterisierung auf der Makro- bis zur Nanoskala eine hohe Herausforderung dar.

Forschungsziele

  • Entwicklung von CMOS-kompatiblen Materialien und deren Prozessierung für die Photonik, Sensorik oder Quantentechnologien
  • Entwicklung und Optimierung neuer Charakterisierungsmethoden der Materialphysik von komplexen siliziumbasierten Materialstrukturen 

Forschungsschwerpunkte

  • Entwicklung und Optimierung von Gruppe-IV-Heterostrukturen für Quantencomputer und CMOS-kompatible THz-Quellen
  • strukturelle, chemische, optische und elektrische Materialcharakterisierung von Halbleitern und deren Verbindungen
  • optische Charakterisierung von plasmonischen Strukturen und optoelektronischen Bauelementen
  • Raman-Thermometrie für siliziumbasierte Thermoelektrika
  • Oberflächen- und Grenzflächenphysik von Gruppe-IV-Halbleitern und deren Verbindungen
  • theoretische Materialphysik unter Berücksichtigung realer Materialparameter

Oberflächenphysik auf Grenz- und Oberflächen von GeSn für Si-CMOS-kompatible Photonik und Elektronik 

Der Ausgangspunkt unserer Untersuchungen war die bei Raumtemperatur gewachsene Sn/Ge(001)-Grenzfläche mit dem Ziel, für diese ein fundamentales Verständnis zu schaffen. Unter Nutzung von winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARPES) wurde die Modifizierung der elektronischen Struktur an der Oberfläche von Ge(001) nach Abscheidung von Sn untersucht. Wir beobachteten, dass Sn eine Bandverbiegung nach oben verursacht. Dies lässt auf die Bildung einer Schottky-Barriere schließen. Die k-Raum aufgelöste Valenzbandstruktur zeigte eine Erhöhung der effektiven Masse von schweren Löchern nach der Abscheidung von Sn. Außerdem können wir das Verschwinden eines Ge(001)-Oberflächenzustandes auf die gebrochene Periodizität der Oberfläche nach Sn-Adsorption zurückführen. Insbesondere war es uns möglich, mit einem Rastertunnelmikroskop (STM) den Wachstumsmechanismus von Sn auf Ge(001) auf atomarer Skala zu untersuchen. Zwei konkurrierende Prozesse wurden im selbstorganisierten Wachstum von Sn auf Ge(001) identifiziert: Die Inkorporierung von Sn in die Oberfläche und die Bildung von Ad-Dimer-Zusammenschlüssen. Letzteres führt zu der Formation von Sn-Linien auf der Oberfläche, die sich entlang der (110)-Richtung der Oberfläche orientieren. Durch die Kombination von ARPES und STM war es möglich, einen Oberflächenzustand nach der Abscheidung von Sn mit einer Ad-Dimer-Konfiguration innerhalb der Sn-Linien zu korrelieren. Diese Ergebnisse sind ein erster Schritt für zukünftige Untersuchungen, die den Einfluss der Temperatur auf die Sn/Ge(001)-Grenzfläche, aber auch auf die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der GeSn-Legierung untersuchen werden.

Reduzierung der Versetzungsdichten über die Sättigungsgrenze hinaus durch optimiertes Reverse-Grading

Die Versetzungsdichte (TDD) in plastisch relaxierten Ge/Si-Heteroepitaxiefilmen nimmt durch die gegenseitige Annihilation vorzeichenfremder Versetzungen mit der Schichtdicke progressiv ab. Es gibt jedoch eine Sättigungsgrenze, die als geometrische Grenze bekannt ist und über die eine weitere Abnahme der TDD im Ge-Film hinaus behindert wird. Innerhalb unserer Arbeitsgruppe konnte jedoch gezeigt werden, dass eine solche Grenze in SiGe/Ge/Si-Heterostrukturen dank der vorteilhaften Rolle der zweiten Grenzfläche überwunden werden kann. Mit Hilfe von theoretischen Simulationen zur Versetzungsdynamik konnten wir die Verringerung der TDD auf die verbesserte Mobilität zurückführen, die dadurch erzielt wurde, dass bereits Versetzungen nach dem Biegen an der neuen Grenzfläche vorhanden waren, um die Verspannung in der oberen Schicht zu lösen. Insbesondere konnten wir zeigen, dass die in Si0,06 Ge0,94/Ge/Si-Schichten erreichte niedrige TDD auch dann erhalten bleibt, wenn anschließend eine zweite, entspannte Ge-Schicht abgeschieden wird. Dies macht die vorliegende Reverse-Grading-Technik auch interessant, um eine niedrige TDD in reinen Ge-Schichten zu erreichen.

[1]  Skibitzki, Oliver, et al. "Reduction of threading dislocation density beyond the saturation limit by optimized reverse grading." Physical Review Materials 4.10 (2020): 103403.

 https://journals.aps.org/prmaterials/abstract/10.1103/PhysRevMaterials.4.103403

Dr. Wolfgang Klesse

IHP 
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