TY - THES A1 - Schlykow, Viktoria Diana T1 - Selective growth and characterization of GeSn nanostructures on patterned Si wafers T1 - Selektives Wachstum und Charakterisierung von GeSn Nanostrukturen auf strukturierten Si Wafern N2 - Over the past seven decades Si microelectronics have developed rapidly. The success of the growing microelectronic industry is also caused by the expansion of materials in addition to Si. Open challenges are the monolithic integration of group IV devices on Si photonics as well as overcoming the size mismatch between electronic parts in the nm range and photonic parts in the µm scale. In this thesis the future application of GeSn NIs on Si as a photodetector is evaluated. The key element required for high performance optoelectronic devices is the formation of high-quality GeSn nano-islands (NIs), i.e. overcoming growth challenges such as introduction of defects due to lattice and thermal mismatch between GeSn and Si substrate as well as suppression of Sn precipitation caused by the limited solid solubility of Sn in Ge. To achieve high-quality nanostructures, the selective growth of GeSn NIs on Si(001) seeds via molecular beam epitaxy is investigated, exploiting the advantages of nanoheteroepitaxy (NHE), i.e. growth on nano-patterned substrates. The best compromise between selective growth of GeSn on Si nano-pillars at significant higher growth temperature than the eutectic temperature of GeSn and the incorporation of Sn into the Ge lattice was achieved at 600°C. X-ray diffraction studies confirmed the substitutional incorporation of 1.4at.% Sn into the NIs avoiding considerable Si interdiffusion from the substrate. Transmission electron microscopy images have shown that dislocations and stacking faults caused by plastic relaxation of the GeSn NIs are located near the NIs/substrate interface and thus, dislocation-free GeSn NIs can be formed, due to gliding out of the threading arms triggered by the NHE approach. The high crystal quality of the GeSn NIs, enables the investigation of the bandgap by μ-photoluminescence (PL) analyses, demonstrating the shrinkage of the direct bandgap with increasing Sn content in the quasi-direct semiconductor. All NIs however feature a β-Sn droplet on their nano-facets. To suppress the out-diffusion of Sn and hence increase the Sn concentration of the GeSn alloy, the GeSn NIs were overgrown with a thin Ge cap layer. The Ge cap successfully hinders the formation of Sn segregates on top of the NIs. Capping at 600 °C and 650°C results in an enrichment of Sn at the surface, forming a GeSn crust with 8±0.5at.% Sn. This wetting layer both enhances the optoelectronic properties of the NI core and exhibits a relatively strong PL emission attributed to direct radiative recombination. Finally, a first demonstration of a GeSn NIs based photodetector was successful, due to the utilization of Al nano-antennas exhibiting an enhanced light coupling into the GeSn NIs at a wavelength of 700nm. The responsible mechanisms is the local plasmonic field enhancement of the incoming light. The manipulation of the resonance wavelength into the telecommunication regime, i.e. >1550nm, have to be investigated in future studies. N2 - In den letzten sieben Jahrzehnten hat sich durch den Einsatz neuer Materialien die Si-basierte Mikroelektronik-Industrie enorm weiterentwickelt. Offene Fragestellungen sind die monolithische Integration von Gruppe-IV-basierten Bauteilen auf Si-Photonischen Chips sowie die Größendiskrepanz zwischen elektronischen und photonischen Bauteilen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit soll untersucht werden, ob GeSn-Nano-Inseln (NI) auf Si Wafern für die Verwendung als Photodetektor geeignet sind. Ein wesentlicher Aspekt zur Realisierung von optoelektronischen Hochleistungsbauteilen ist das Wachstum von hoch kristallinen GeSn-NI, d.h. die Einbringung von Defekten aufgrund von Gitter- und thermischer Fehlanpassung zwischen den GeSn-NI und dem Si-Substrat sowie Sn-Segregation aufgrund der geringen Löslichkeit von Sn in Ge müssen vermieden werden. Unter der Verwendung des Nanohetereopitaxie (NHE) Ansatzes wird das selektive Wachstum von GeSn-NI mithilfe von Molekularstrahlepitaxie untersucht. Der beste Kompromiss zwischen selektivem GeSn Wachstum auf nanostrukturierten Si(001) und dem Einbau von Sn in das Ge-Gitter wurde bei 600°C erreicht, was bei weitem die eutektische Temperatur von GeSn überschreitet. Analysen mithilfe von Röntgendiffraktometrie ergaben einen substitutionellen Einbau von 1.4at.% Sn in die NI ohne erhebliche Si-Interdiffusion aus dem Si Substrat. Aufnahmen mittels von Transmissionselektronenmikroskopie zeigten, dass sich Versetzungen und Stapelfehler aufgrund plastischer Relaxation nur an der NI/Substrat-Grenzfläche befinden, da Versetzungsarmen aufgrund NHE herausgleiten können. Die hohe Kristallqualität der versetzungsfreie GeSn-NI ermöglicht es, die Bandlücke mithilfe von Photolumineszenz (PL) Spektroskopie zu charakterisieren. Dabei konnte festgestellt werden, dass es zu einer Verringerung der direkten Bandlücke mit steigendem Sn-Gehalt im quasi-direkten Halbleiter kommt. Alle Inseln weisen β-Sn-Tropfen auf ihren Nano-Fazetten aufgrund der Diffusion des überschüssigen Sn auf. Um den Sn-Gehalt in der GeSn-Legierung zu erhöhen, wurden die GeSn-NI im Nachhinein mit einer dünnen Ge-Deckschicht überwachsen. Diese Ge-Deckschicht verhindert die Bildung von β-Sn-Segregaten auf den GeSn-NI. Zusätzlich bildet sich bei 600°C und 650°C eine GeSn Kruste mit 8±0.5at.% Sn aus. Diese Benetzungsschicht verbessert die optoelektronischen Eigenschaften des Inselkerns und weist gleichzeitig eine relativ starke PL Emission aufgrund der direkten Bandlücke auf. Schließlich war eine erste Demonstration eines Photodetektors basierend auf GeSn-NI durch die Verwendung von Al-Nano-Antennen erfolgreich, um eine verstärkte Lichteinkopplung in die GeSn-NI bei einer Wellenlänge von 700nm zu erreichen. Der zugrundeliegende Mechanismus ist die lokale plasmonische Feldverstärkung des einfallenden Lichtes. Die Manipulation der Resonanzwellenlänge in den Telekommunikationsbereich, d.h. >1550nm, sollte in zukünftigen Studien untersucht werden. KW - Group IV KW - Nanoheteroepitaxy KW - Photoluminescence KW - Selective growth KW - Gruppe IV KW - Nanoheteroepitaxie KW - Photolumineszenz KW - Selektives Wachstum KW - Germanium KW - Zinn KW - Silicium KW - Heteroepitaxie KW - Photodetektor Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48860 ER - TY - THES A1 - Matbaechi Ettehad, Honeyeh T1 - Dielectrophoretic manipulation of yeast cells using CMOS integrated microfluidic T1 - Dielektrophoretische Manipulation von Hefezellen mit CMOS-integrierter Mikrofluidik N2 - The rapid detection of infectious diseases is still an unsolved problem since their identification must be carried out either by cultivation or DNA analysis in a laboratory. The development of point-of-care (PoC) is a current development trend that requires further technological impulses to produce reliable and cost-effective systems. By miniaturizing and integrating microfluidic and electronic components, the advantages of electronic methods can be transferred to the field of PoC testing. The combination of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology with microfluidic platforms allowed the development of fully functional sample-to-result LoC setups, which served the portability of the device even out of the laboratory or hospitals. CMOS-based LoC device can control and manage the data from sensors, microfluidics, and actuators. Dielectrophoresis (DEP) is a non-destructive and non-invasive method promising to be used in PoC medical applications. Utilizing MEMS technology and fabrication of microelectrodes allow DEP to be applied in biomedical applications such as cell manipulation and separation with high speed, sensitivity and without any labeling. Cell detection and separation occupy an important place in diagnostics of viral and infectious diseases such as Influenza and COVID-19. Therefore, rapid, sensitive, and automated LoC devices are needed to detect such diseases. Starting from this point of view, manipulating the cells as a way to detect them using DEP was decided as the main objective of the thesis. This work aimed at developing a miniaturized CMOS integrated silicon microfluidic device, in line with a standard CMOS procedure, for characterization and manipulation of live and dead yeast cells using the DEP technique. Understanding the relationship between the microelectrode’s geometry and the magnitude of DEP force, the microfluidic devices can be designed to produce the most effective DEP implication on biological samples. In this work, interdigitated electrode arrays (IDEs) were used to manipulate the cells. This microelectrode was primarily used to detect microorganisms in a solution, based on the measurement of the variation of the dielectric constant by the concentration of the microorganisms. Therefore, finite element simulations were performed to optimize this microelectrode and adapt it to our application. Thus, the IDEs were optimized as a function of finger width and spacing between adjacent fingers. One of the most serious matters related to DEP-based microfluidic devices is that the DEP spectra of the targeted cell should precisely be known. Therefore, the DEP spectrum analysis of various cell suspensions with different medium conductivities was studied comprehensively by finite element simulation and experimentally. This study presented an optimized trapping platform for both detection and separation applications in terms of electrode dimension and electrical parameters. N2 - Die schnelle Erkennung von Infektionskrankheiten ist nach wie vor ein ungelöstes Problem, da deren Identifizierung entweder durch Kultivierung oder DNA-Analyse im Labor erfolgen muss. Die Entwicklung von Point-of-Care (PoC)-Verfahren ist ein aktueller Entwicklungstrend, der weitere technologische Impulse erfordert, um zuverlässige und kostengünstige Systemlösungen herzustellen. Durch die Miniaturisierung und Integration mikrofluidischer und elektronischer Komponenten können die Vorteile elektronischer Methoden auf den Bereich der PoC übertragen werden. Die Kombination der komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologie mit Mikrofluidisch ermöglicht voll funktionsfähigen Sample-to-Result LoC, was die Nutzbarkeit des Geräts auch außerhalb des Labors oder Krankenhauses unterstützt. Die Elektrophorese (DEP) ist eine zerstörungsfreie und nicht-invasive Methode, die für medizinische Diagnosetests am PoC vorteilhaft ist. Die Verwendung der MEMS-Technologie und die Herstellung von Mikroelektroden ermöglichen den Einsatz der DEP in biomedizinischen Anwendungen, wie z. B. die Manipulation und Trennung mit hoher Geschwindigkeit und Empfindlichkeit und ohne Markierung. Zelldetektion und -separation nehmen einen wichtigen Platz in der Diagnostik von viralen und infektiösen Krankheiten wie Influenza und COVID-19 ein. Daher werden schnelle, empfindliche und automatisierte LoC zum Nachweis solcher Krankheiten dringend benötigt. Diese Arbeit zielt darauf ab, ein miniaturisiertes CMOS-integriertes, silizium- mikrofluidik zu entwickeln, das mit einem Standard-CMOS-Prozess kompatibel ist, um die Charakterisierung und Manipulation von Hefezellen mit Hilfe der DEP-Technik zu ermöglichen. Durch das Verständnis der Beziehung zwischen der Geometrie der Mikroelektrode und der Größe der DEP-Kraft können die mikrofluidische Geräte so optimiert werden, dass ihre DEP Wirkung auf biologische Proben maximiert wird. In dieser Arbeit wurden interdigitale Elektrodenarrays (IDEs) zur Manipulation der Zellen verwendet. Diese Mikroelektrode wurde in erster Linie zum Nachweis von Mikroorganismen in einer Lösung verwendet, basierend auf der Messung der Variation der Dielektrizitätskonstante durch die Konzentration der Mikroorganismen. Um die Mikroelektrode zu optimieren und um sie an unsere Anwendung anzupassen, wurden finite Elemente Simulationen durchgeführt. So wurden die IDEs als Funktion der Fingerbreite und des Abstandes zwischen benachbarten Fingern optimiert. Einer der kritischsten Punkte im Zusammenhang mit DEP mikrofluidischen Geräten ist, dass die DEP-Spektren der Zielzellen genau bekannt sein sollten. Dafür wurde eine DEP-Spektrum-Analyse für verschiedene Zellsuspensionen unterschiedlicher Medium-Leitfährigkeit experimentell und mit Finite-Elemente Simulationen untersucht. In dieser Studie wurde eine optimierte Trapping-Plattform sowohl für Detektions- als auch für Separationsanwendungen in Bezug auf die Elektrodengröße und die elektrischen Parameter vorgestellt. KW - Dielectrophoresis (DEP) KW - Yeast cell KW - Cell manipulation KW - Interdigitated electrodes (IDEs) KW - CMOS-integrated microfluidic Lab-on-a-chip KW - Dielektrophorese (DEP) KW - Hefezelle KW - Zellmanipulation KW - Interdigitalelektroden (IDEs) KW - CMOS-integriertes mikrofluidisches Lab-on-a-chip KW - CMOS KW - Lab on a Chip KW - Dielektrophorese KW - Saccharomyces cerevisiae KW - Mikrofluidik KW - Biomedizinische Technik Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55315 ER - TY - THES A1 - Reichmann, Felix T1 - Germanium, Zinn und (Zink-) Galliumoxid für fortschrittliche Mikro- und Optoelektronik : Einblicke in die elektronische Struktur der Oberfläche mit Photoemissionstechniken T1 - Germanium, tin and (zinc) gallium oxide for advanced micro- and optoelectronics : insights into the surface electronic structure with photoemission techniques N2 - Historically, Ge is one of the oldest materials in the semiconductor industry and its (001) surface has been the subject of extensive investigations by photoelectron spectroscopy. I am going to challenge the predominant attribution of a semi-conducting nature of the Ge(001) surface in this thesis. My investigations reveal the presence of a Ge(001) surface state above the Fermi-level, occupied at room temperature. Employing time- and temperature-dependent angle-resolved photoelectron spectroscopy, I will demonstrate that the presence of this surface state is evidence for the conducting nature of the surface at room temperature. Sparked by the remarkable properties of the GeSn-alloy and a trend towards Ge-Sn-related multiquantum well fabrication, I investigate the surface electronic structure of Ge(001) after adsorption and incorporation of Sn. With an in-depth analysis of surface core-level shifts, I will extend the growth model of the Sn wetting layer formation by also detailing structural changes in the subsurface region. At the same time, the modifications of the electronic structure will be detailed, observing the removal of the Ge(001) surface states, the creation of a new, Sn-related surface state and the initial stages of the Schottky barrier formation. β-Ga₂O₃ a transparent semi-conducting oxide that has sparked a lot of interest over the last decade, because it offers an ultra-wide band gap and high break down voltage. However, due to its monoclinic crystal structure, device fabrication is rather challenging and researchers are already looking into alternative materials. One of these candidates is ϵ-Ga₂O₃ and this work presents a combined study by photoelectron spectroscopy and ab initio calculations of its electronic structure. (Hard) X-rays reveal the impact of photoelectron recoil and the absence of a band bending to the surface, while the dispersion of experimentally determined valence states compares favorably with the calculations based on hybrid density-functional theory. Another alternative to β-Ga₂O₃ be ZnGa₂O₄ and I will present an investigation on the electronic structure of its (100) surface. Due to the novelty of ZnGa₂O₄ single-crystals, I am first going to explore the preparation of a clean and well-ordered surface by standard in-situ sputtering and annealing. I will show that already low annealing temperatures induce Zn-deficiency, leading to non-stoichiometric surfaces, further exacerbated by sputtering. By changing the sputtering parameters and the annealing conditions, the preparation of a surface with sufficient quality for subsequent investigations will be demonstrated. The results by photoemission techniques compare favorably with the expectations from theory and allowing the first fundamental insights into the surface electronic structure. N2 - Ge ist eines der ältesten Materialien in der Geschichte der Halbleiter-Industrie und die Ge(001) Oberfläche wurde bereits umfassend durch Photoelektronenspektroskopie untersucht. Die dominierende Zuschreibung einer halbleitenden Eigenschaft der Oberfläche werde ich in dieser Dissertation anfechten. Meine Untersuchungen zeigen einen Ge(001) Oberflächenzustand oberhalb des Fermi-Niveaus, der bei Raumtemperatur besetzt ist. Durch zeit- und temperaturabhängige, winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie werde ich zeigen, dass die Beobachtung dieses Zustands der Beweis für die leitende Eigenschaft der Oberfläche, bei Raumtemperatur, ist. Inspiriert von den außergewöhnlichen Eigenschaften der GeSn-Legierung und einem Trend hin zu Ge-Sn-basierten Multi-Quantentopfstrukturen, werde ich die Modifizierung der Ge(001) Oberflächenbandstruktur nach Adsorption von Sn untersuchen. Mit einer detaillierten Analyse von Energie-Niveau-Verschiebungen, der inneren Elektronen der Oberflächenatome, werde ich das Modell des Sn-Wachstums auf der Ge (001) Oberfläche, um die darunter liegenden Schichten erweitern. Gleichzeitig werden Änderungen in der elektronischen Struktur gemessen. So kann die Entfernung von Ge(001) Oberflächenzuständen, die Entstehung eines neuen, Sn-basierten Oberflächenszustands und die ersten Stufen der Formation der Schottky-Barriere beobachtet werden. β-Ga₂O₃ ist ein transparentes halbeleitendes Oxid, welches im vergangenen Jahrzehnt dank seiner extrem breiten Bandlücke und hohen Durchbruchspannung großes Interesse geweckt hat. Jedoch ist die Herstellung von Bauteilen aufgrund der monoklinischen Kristallstruktur eine Herausforderung und Wissenschaftler suchen bereits nach alternativen Materialien. Ein möglicher Kandidat ist ϵ-Ga₂O₃ und in dieser Arbeit wird dessen elektronische Bandstruktur mit einer Kombination aus Photoelektronenspektroskopie und ab initio Berechnungen untersucht. (Harte) Röntgenstrahlung erlaubt die Beobachtung von Rückstoßeffekten der Photoelektronen und die Abwesenheit von Bandverbiegungen, während die Dispersionen der experimentell gemessenen Valenzbandzustände Berechnungen mit hybrid-density-functional-Theorie bestätigen. Eine andere Alternative zu β-Ga₂O₃ könnte ZnGa₂O₄ sein und ich werde eine Untersuchung der elektronischen Struktur, der (100)-Oberfläche präsentieren. Aufgrund die Neuartigkeit von ZnGa₂O₄-Einkristallen werde ich zuerst die Vorbereitung einer sauberen und kristallinen Oberfläche mittels in-situ Sputtern und Heizen untersuchen. Ich werde zeigen, dass es selbst bei niedrigen Heiztemperaturen zu Zn-Mangel in der Oberfläche kommt, welcher sich durch Sputtern verschlimmert. Durch das ändern der Sputterparameter und der Bedingungen beim Heizen, werde ich eine Oberfläche mit hinreichender Qualität für eine weitergehende Charakterisierung der elektronischen Struktur demonstrieren. Die Ergebnisse aus der Photoelektronenspektroskopie passen zu theoretischen Berechnungen der Bandstruktur und liefern somit die ersten Einsichten in die elektronische Struktur der Oberfläche. KW - Angle-resolved photoemission spectroscopy KW - X-ray photoelectron spectroscopy KW - Germanium-tin KW - Zinc gallium oxide KW - Surface science KW - ARPES KW - Gallium-Zink-Oxid KW - XPS KW - Halbleiteroberfläche KW - Bandstruktur KW - Elektronenstruktur KW - Germaniumverbindungen KW - Galliumverbindungen KW - ARPES KW - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-62080 ER - TY - THES A1 - Becker, Lucas T1 - The Influence of the early relaxation phase on the threading dislocation density in strain relaxed Si₁₋ₓGeₓ buffer layers on Si(001) substrates T1 - Der Einfluss der frühen Relaxationsphase auf die Durchstoßversetzungsdichte in Spannungs-relaxierten Si₁₋ₓGeₓ Pufferschichten auf Si(001) Substraten N2 - The integration of germanium (Ge) on silicon (Si) for microelectronics applications requires strain-relaxed SiGe buffer layers (SRB) as virtual substrates. However, the presence of threading dislocations in these layers remains a challenge, as they can affect device performance. Existing methods achieve threading dislocation densities (TDD) around 1 x 10⁵ cm⁻², but a further reduction is desired for industrial applications. A SiGe backside deposition technique originally intended to compensate for wafer bowing surprisingly improves the TDD. The underlying physics remained poorly understood until now. In this work it is shown, that the SiGe backside deposition leads to a parasitic SiGe layer at the edge of the wafer. Partial relaxation of this layer generates dislocations, which fundamentally change the relaxation mechanism of subsequently deposited SiGe layers on the front side. These preexisting dislocations glide from the edge to the center of the wafer, preventing the formation of dislocation bundles and pile-ups. As a result, the TDD decreases significantly for layers with low Ge content. Adjusting the growth conditions and dislocation glide kinetics optimizes early relaxation, achieving a TDD reduction to 4x10⁴ cm⁻² for 25% Ge buffer layers. Additionally, a novel ring deposition technique provides controlled preexisting dislocations at the wafer’s edge, offering better control over the dislocation reservoir than uncontrolled parasitic deposition. Although initial results show promising results, further optimization is needed due to localized mechanical damage during processing. In summary, this research provides insights into strained SiGe layer relaxation, dislocation physics, and their impact on the TDD. By understanding these mechanisms, an enhancement of established buffer approach can be achieved and novel strategies for further TDD reduction can be developed. N2 - Die Integration von Germanium (Ge) auf Silizium (Si) für mikroelektronische Anwendungen erfordert spannungs-relaxierte SiGe-Pufferschichten als virtuelle Substrate. Allerdings stellen Durchstoßversetzungen in diesen Schichten eine Herausforderung dar, da sie die Leistung von Bauelementen beeinträchtigen können. Bestehende Methoden zur Versetzungsreduktion erreichen Versetzungsdichten (TDD) von etwa 1 x 10⁵ cm⁻², aber eine weitere Reduzierung ist für die industrielle Anwendung wünschenswert. Ein Verfahren zur SiGe-Rückseitenabscheidung, das ursprünglich die Waferverbiegung kompensieren sollte, verbessert überraschenderweise die TDD. Die zugrundeliegenden physikalischen Zusammenhänge waren bisher nur unzureichend bekannt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die SiGe-Rückseitenabscheidung zu einer parasitären SiGe Schicht am Rande des Wafers führt. Die partielle Relaxation dieser Schicht erzeugt Versetzungen, die den Relaxationsmechanismus der nachfolgend auf der Vorderseite abgeschiedenen SiGe-Schichten grundlegend verändern. Diese bereits vorhandenen Versetzungen gleiten vom Rand des Wafers zum Zentrum, wodurch Versetzungsbündel und lokale Anhäufungen verhindert werden. Infolgedessen kann die Versetzungsdichte bei Schichten mit geringem Ge-Gehalt deutlich reduziert werden. Durch Anpassung der Wachstumsbedingungen und der Kinetik des Versetzungsgleitens kann die frühe Relaxationsphase optimiert werden und somit eine Reduzierung der TDD auf 4x10⁴ cm⁻² für 25% Ge-Pufferschichten erreicht werden. Darüber hinaus wurde eine neuartige Ringdepositionstechnik entwickelt, um für mehr Kontrolle über die Versetzungen am Rande des Wafers zu sorgen als unkontrollierte parasitären Abscheidung. Obwohl erste Ergebnisse vielversprechend sind, ist eine weitere Optimierung aufgrund lokaler mechanischer Schäden während der Verarbeitung notwendig. Zusammenfassend liefert diese Arbeit Einblicke in die Relaxation von verspannten SiGe-Schichten, Versetzungsphysik und deren Auswirkungen auf die TDD. Durch das Verständnis dieser Mechanismen kann der etablierte Pufferansatz verbessert und neue Strategien zur weiteren TDD-Reduzierung entwickelt werden. KW - Silicon KW - Germanium KW - Epitaxy KW - Dislocation KW - Wafer KW - Silizium KW - Epitaxie KW - Versetzungen KW - Wafer KW - Wafer KW - Silicium KW - Epitaxie KW - Versetzung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67431 ER -