TY - THES A1 - Franck, Max T1 - Synthesis of hexagonal boron nitride on CMOS-compatible substrates via chemical vapor deposition T1 - Wachstum von hexagonalem Bornitrid auf CMOS-kompatiblen Substraten mittels chemischer Gasphasenabscheidung N2 - About 20 years ago, the discovery of an easy method to exfoliate single atomic layers of graphene opened the door for the investigation of 2D materials. They often exhibit superior electrical and mechanical properties compared to their 3D counterparts, and in addition, entirely new physical properties emerge at these ultra-low thickness scales, making 2D materials a highly interesting topic of materials research. A large variety of 2D materials with various electrical properties have since been discovered: graphene is a conductor with an extremely high charge carrier mobility, several transition metal dichalcogenides are direct bandgap semiconductors with the bandgap value being dependent on the chemical composition, and hexagonal boron nitride (hBN) is an insulator. This means that, in principle, all the building blocks for 2D microelectronic devices are available, which would mark the ultimate miniaturization. In practice, this vision is far from being realized, as large-scale fabrication methods for 2D materials and their heterostructures are still under development. Hexagonal boron nitride has a large range of applications, as it plays a central role in 2D microelectronics: not only are dielectrics a crucial part of microelectronic devices, but hBN is also necessary to shield other 2D materials from contact with the 3D environment, which causes deterioration of their intrinsic properties. Further potential applications are deep UV optoelectronics, thermal neutron detection, and single-photon emitters for quantum communication. While synthesis of single-crystalline hBN monolayers and high-quality multilayers has been demonstrated on a 2" wafer scale, it relies on catalytic transition metals, such as Cu, as the growth substrates. Obviously, one layer does not a device make, and thus transfer of the grown hBN films is usually employed to fabricate full devices. Unfortunately, this leaves behind metal contaminations at concentrations that are incompatible with the stringent purity requirements in CMOS manufacturing lines. In order to facilitate integration of 2D materials into established CMOS technology, which is deemed the most promising route for their large-scale adoption, synthesis of hBN on CMOS-compatible substrates, such as Si, Ge, and dielectrics, is desirable. At the beginning of my work, almost no literature on this topic was available, especially not for Ge and Si substrates. In this thesis, a growth process for hBN on Ge(001) via high-vacuum chemical vapor deposition is developed. The influence of various process parameters on the morphology, structure, and crystalline quality of the grown films is studied, and the growth process is optimized towards ultra-thin, smooth, and high-quality hBN. Additionally, the efficacy of standard characterization methods is evaluated and alternatives are explored. Furthermore, the optimized growth process is applied to Si(001) and graphene growth substrates, also yielding high-quality hBN films. N2 - Als vor etwa 20 Jahren eine einfache Methode entdeckt wurde, monoatomare Schichten Graphen aus Graphit zu isolieren, öffnete dies die Tür zur Untersuchung der Klasse der 2D-Materialien. Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften dieser Materialien sind denen ihrer 3D-Entsprechungen oft überlegen, und zusätzlich ergeben sich durch die extrem geringe Schichtdicke völlig neue physikalische Eigenschaften, wodurch 2D-Materialien ein hochinteressantes Forschungsthema bilden. Es wurde bereits eine große Vielfalt an 2D-Materialien mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften entdeckt: Graphen ist leitfähig mit einer extrem hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, diverse Übergangsmetalldichalkogenide sind direkte Halbleiter, und hexagonales Bornitrid (hBN) ist ein Isolator. Prinzipiell sind also alle Bausteine vorhanden, um eine 2D-Mikroelektronik zu verwirklichen, in der Praxis sind wir von dieser Vision aber noch weit entfernt, weil überhaupt erst Prozesse zur großskaligen Produktion von 2D-Materialien und entsprechender Heterostrukturen entwickelt werden müssen. Hexagonales Bornitrid hat ein breites Anwendungsfeld, da ihm eine zentrale Rolle in der 2D-Mikrolektronik zukommt: Dielektrika sind nicht nur essentieller Bestandteil mikroelektronischer Bauelemente, hBN wird außerdem benötigt, um andere 2D-Materialien von der dreidimensionalen Außenwelt abzuschirmen, da der direkte Kontakt mit selbiger ihre intrinsischen Eigenschaften verschlechtert. Erfolgreiches Wachstum monokristalliner hBN-Monolagen auf 2"-Wafern wurde zwar schon demonstriert, fußt aber auf der Verwendung von katalytischen Übergangsmetallen (z.B. Cu) als Substrat. Eine Schicht macht noch kein Bauelement, und entsprechend muss zur Herstellung eines vollständigen Bauelements die hBN-Schicht transferiert werden. Leider führt dies zu Metallkontaminationen, deren Konzentration nicht mit den strengen Reinheitsanforderungen von CMOS-Produktionslinien vereinbar ist. Da die Integration in bestehende CMOS-Technologie aber der beste Weg ist, eine wirtschaftliche Produktion von Bauelementen zu verwirklichen, die von den besonderen Eigenschaften der 2D-Materialien profitieren, werden hBN-Wachstumsprozesse auf CMOS-kompatiblen Substraten (z.B. Si, Ge, oder Dielektrika) benötigt. Gegenstand dieser Dissertation ist die Entwicklung eines Wachstumsprozesses für hBN auf Ge(001) mittels chemischer Gasphasenabscheidung. Der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die Morphologie, Struktur und kristalline Qualität der gewachsenen Schichten wird untersucht, und der Prozess dahingehend optimiert, möglichst dünne, glatte, und hochkristalline hBN-Schichten zu erhalten. Außerdem wird die Anwendbarkeit von Standard-Charakterisierungsmethoden auf diese ultradünnen hBN Schichten sowie mögliche Alternativen evaluiert. Des Weiteren wird der optimierte Wachstumsprozess auf Si(001)- und Graphensubstrate übertragen, was in hBN-Schichten mit ähnlich hoher Qualität resultiert. KW - Chemical vapor deposition KW - Hexagonal boron nitride KW - 2D materials KW - Thin film deposition KW - Chemische Gasphasenabscheidung KW - Hexagonales Bornitrid KW - 2D-Materialien KW - Dünnschichtabscheidung KW - Zweidimensionales Material KW - Dünnschichttechnik KW - Bornitrid KW - Hexagonaler Kristall KW - CVD-Verfahren Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-71925 ER - TY - THES A1 - Akhtar, Fatima T1 - Graphene synthesis under Si-CMOS compatible conditions T1 - Graphen-Synthese unter Si-CMOS-kompatiblen Bedingungen N2 - Due to the unique electronic band structure, graphene has opened the great potential to extend the functionality of a large variety of graphene-based devices in health and environment, energy storage, or various microelectronic applications, to mention a few. At this point, the implementation of graphene into Silicon (Si) semiconductor technology is strongly dependent on several key challenges. Among them, high-quality and wafer-scale graphene synthesis on CMOS compatible substrates is of the highest importance. Though large-area graphene can be achieved on substrates like copper, platinum, silicon carbide, or single-crystal Ni, however, high growth temperatures, unavailability of large scale, or contamination issues are the main drawbacks of their usage. In this PhD work, 8-inch scale graphene synthesis is attempted on alternative substrates such as epitaxial Germanium on Si and polycrystalline Nickel on Si. To achieve the growth of the highest quality of graphene, this work focuses on the investigations of various nucleation and growth mechanisms, substrate–graphene interfaces, effects of different substrate orientations, and detailed microscopic and macroscopic characterization of the grown films. Finally, it should also be stressed that the experiments in this work were carried out in a standard BiCMOS pilot-line, making this study unique, as its results might directly pave the way to further graphene integration and graphene-based device prototyping in mainstream Si technologies. N2 - Durch seine einzigartige Bandstruktur hat Graphen ein großes Feld zur Erweiterung der Funktionalität graphenbasierter Bauelemente im Gesundheitswesens und der Umwelttechnologie, zur Speicherung von Energie, für neue Verbundstoffe und für mikroelektronischen Anwendungen, um nur Einige zu nennen, eröffnet. Gerade der Einsatz von Graphen in der siliziumbasierten Halbleitertechnologie hängt stark von einigen wesentlichen Voraussetzungen ab. Darunter ist die hohe Qualität der Abscheidung von Graphen auf CMOS-kompatiblen Substraten von größter Wichtigkeit und bisher noch nicht gelöst. Obwohl hochqualitatives Graphen auf Substraten wie Kupfer, Platin, Siliziumcarbid oder einkristallinem Nickel hergestellt werden kann, sind hohe Wachstumstemperaturen, großflächige Beschichtung oder Kontaminationen Hinderungsgründe für deren Einsatz. In der Promotionsarbeit wird die Graphenabscheidung auf alternative 200mm Substrate, wie einkristallinem Germanium auf Silizium und polykristallines Nickel auf Silizium untersucht. Um die beste Wachstumsqualität von Graphen zu erreichen, ist der Fokus dieser Arbeit auf verschiedene Nukleations- und Wachstumsmechanismen, auf Graphen-Substrat wechselwirkungen, Effekte verschiedener Substratorientierung sowie detaillierter mikroskopischer und makroskopischer Charakterisierung der gewachsenen Schicht gerichtet. Abschließend sollte erwähnt werden, dass diese Experimente in einer Standardpilotlinie (BiCMOS) durchgeführt wurden, um mit den Ergebnissen dieser Arbeit den Weg zur Graphenintegration und zu graphenbasierten prototypischen Bauelementen in die industrielle Silizium-technologie zu ebnen. KW - Graphene KW - Chemical vapor deposition KW - Growth KW - Oxidation KW - Germanium KW - Nickel KW - Graphen KW - CVD KW - Wachstum KW - Oxidation KW - Graphen KW - Keimbildung KW - Wachstum KW - CVD-Verfahren KW - Nickel KW - Germanium Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-59270 ER -