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On the compliant behaviour of free-standing Si nanostructures on Si(001) for Ge nanoheteroepitaxy

Über die Spannungsverteilung in Ge/Si Nanostrukturen auf Si(001) für Ge Nanoheteroepitaxie

  • Due to its superior optoelectronic properties, Germanium (Ge) is attracting increasing interest to build up future photonic modules within Si chip baseline technology. Despite clear advantages of Ge integration in Si technology (identical diamond crystal structure with Si, complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatibility due to no contamination risks etc.), it faces also some true challenges limiting the optoelectronic performance. Among them, thermal and lattice mismatch result in too high defect levels (which act as non-radiative recombination centres). Parasitic diffusion and formation of SiGe alloys at elevated temperatures is also a common problem. In this respect, selective chemical vapor deposition Ge heteroepitaxy approaches for high quality Ge nanostructure growth with reasonable thermal budget must be developed for local Ge photonic module integration. A promising vision is offered by the compliant substrate effects within nanometer scale Ge/Si heteroepitaxial structures. Here, in contrast to the classical GeDue to its superior optoelectronic properties, Germanium (Ge) is attracting increasing interest to build up future photonic modules within Si chip baseline technology. Despite clear advantages of Ge integration in Si technology (identical diamond crystal structure with Si, complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatibility due to no contamination risks etc.), it faces also some true challenges limiting the optoelectronic performance. Among them, thermal and lattice mismatch result in too high defect levels (which act as non-radiative recombination centres). Parasitic diffusion and formation of SiGe alloys at elevated temperatures is also a common problem. In this respect, selective chemical vapor deposition Ge heteroepitaxy approaches for high quality Ge nanostructure growth with reasonable thermal budget must be developed for local Ge photonic module integration. A promising vision is offered by the compliant substrate effects within nanometer scale Ge/Si heteroepitaxial structures. Here, in contrast to the classical Ge deposition on bulk Si substrates, the thermal and lattice mismatch strain energy accumulated in the Ge epilayer is partially shifted to the free-standing Si nanostructure. This strain partitioning phenomenon is at the very heart of the nanoheteroepitaxy theory (NHE) and, if strain energy levels are correctly balanced, offers the vision to grow defect-free nanostructures of lattice mismatched semiconductors on Si. In case of the Ge/Si heterosystem with a lattice mismatch of 4.2%, the strain partitioning phenomenon is expected to be triggered when free-standing Si nanopillars with the width of 50 nm and below are used. In order to experimentally verify NHE with its compliant substrate effects, a set of free-standing Ge/Si nanostructures with diameter ranging from 150 to 50 nm were fabricated and investigated. The experimental verification of compliant substrate effects is challenging and requires sophisticated characterization techniques. The main limitation corresponds to a simultaneous detection of a) the strain partitioning phenomenon between Ge and Si and b) the absence of defects on the nano-scale. In this respect, synchrotron-based grazing incidence x-ray diffraction was applied to study the epitaxial relationship, defect and strain characteristics with high resolution and sensitivity in a non-destructive way. Raman spectroscopy supported by finite element method calculations were used to investigate the strain distribution within a single Ge/Si nanostructure. Special focus was devoted to transmission electron microscopy to determine the quality of the Ge epilayer. It was found, that although high quality Ge nanoclusters can be achieved by thermal annealing on Si pillars bigger than 50 nm in width, no proof of strain partitioning phenomenon was observed. In clear contradiction to the present NHE theory, no strain partitioning phenomenon was found even for ~50 nm wide Si pillars for which the compliant substrate effects are expected. The absence of the strain partitioning between Ge and Si is caused by the stress field exerted by the SiO2 growth mask on the Si nanopillar. In contrast to such nanostructures monolithically prepared from a Si(001) wafer, first results in this thesis clearly prove the strain partitioning phenomenon within Ge/Si nanostructures on Silicon–on–insulator substrate. Here, the compliant substrate effects were clearly observed for pillar widths even bigger than 50 nm. This experimental work demonstrates, that NHE with its compliant substrate effects, offers an interesting approach for high quality Ge nanostructures on Si, avoiding even the misfit dislocation network with its non-tolerable electrical activity in Ge nanodevices. However, the theory does not yet include important aspects of thin film growth on the nano-scale and must be further developed. It is the aim of this PhD thesis to provide this experimental basis for the Ge/Si heterosystem. Finally, it is noted that here developed growth approach is fully Si CMOS compatible and is not only relevant for Ge integration but also for other lattice mismatched alternative semiconductors (GaAs etc.) to enable higher performance / new functions in future Si microelectronics technologies.show moreshow less
  • Germanium erfährt zunehmendes Interesse für die Entwicklung zukünftiger photonischer Module im Rahmen von Standard-Si-Technologien aufgrund seiner besonderen optoelektronischen Eigenschaften. Trotz klarer Vorteile für die Ge-Integration in eine Si-Technologie, wie beispielsweise die gleiche Gitterstruktur beider Materialien und Kompatibilität zum CMOS-Prozess ohne ein Kontaminationsrisiko, gibt es auch einige Herausforderungen, die die optoelektronische Leistungsfähigkeit beschränken. Dazu gehört die nicht perfekte Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungs- und Gitterparameter, welche zu hohen Defektdichten führen, die als Rekombinationszentren wirken können. Interdiffusion und die Bildung einer SiGe-Legierung bei erhöhten Temperaturen ist ein weiteres generelles Problem. Unter diesem Aspekt sind Ansätze der selektiven chemischen Gasphasenabscheidung erforderlich, die das heteroepitaktische Wachstum von Ge hoher Qualität mit moderatem thermischem Budget für die photonische Modulintegration ermöglichen. Ein vielversprechender AnsatzGermanium erfährt zunehmendes Interesse für die Entwicklung zukünftiger photonischer Module im Rahmen von Standard-Si-Technologien aufgrund seiner besonderen optoelektronischen Eigenschaften. Trotz klarer Vorteile für die Ge-Integration in eine Si-Technologie, wie beispielsweise die gleiche Gitterstruktur beider Materialien und Kompatibilität zum CMOS-Prozess ohne ein Kontaminationsrisiko, gibt es auch einige Herausforderungen, die die optoelektronische Leistungsfähigkeit beschränken. Dazu gehört die nicht perfekte Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungs- und Gitterparameter, welche zu hohen Defektdichten führen, die als Rekombinationszentren wirken können. Interdiffusion und die Bildung einer SiGe-Legierung bei erhöhten Temperaturen ist ein weiteres generelles Problem. Unter diesem Aspekt sind Ansätze der selektiven chemischen Gasphasenabscheidung erforderlich, die das heteroepitaktische Wachstum von Ge hoher Qualität mit moderatem thermischem Budget für die photonische Modulintegration ermöglichen. Ein vielversprechender Ansatz ist die Ausnutzung des Effekts des sich anpassenden Substrats von Ge/Si-Heterostrukturen in Nanometerdimensionen. Im Unterschied zur klassischen Ge-Abscheidung auf großflächigen Si-Substraten wird hierbei die in der Ge-Schicht aufgebaute Verspannungsenergie aufgrund der thermischen Ausdehnungs- und Gitterfehlanpassung teilweise an die freistehende Si-Nanostruktur weitergeleitet. Das Phänomen der Spannungsaufteilung ist der zentrale Punkt der Theorie der Nanoheteroepitaxie. Wenn die Niveaus der Spannungsenergie korrekt ausbalanciert werden, könnte die Vision eines defektfreien Wachstums von gitterfehlangepassten Halbleitermaterialien auf Si in Nanostrukturen Wirklichkeit werden. Im Falle des Ge/Si-Systems mit einer Gitterfehlanpassung von 4.2% wird das Einsetzen einer Spannungsaufteilung für freistehende Si-Säulen mit einem Durchmesser von 50 nm und darunter erwartet. Zur experimentellen Verifikation der Theorie der Nanoheteroepitaxie mit dem Effekt des sich anpassenden Substrats wurde ein Satz von freistehenden Ge/Si-Nanostrukturen mit Durchmessern von 150 bis 50 nm hergestellt und charakterisiert. Die experimentelle Bestätigung des Effekts des sich anpassenden Substrats ist schwierig und bedarf anspruchsvoller Charakterisierungstechniken. Die entscheidende Limitierung betrifft die simultane Detektion der a) Spannungsaufteilung zwischen Ge und Si und der b) Abwesenheit von Defekten auf der Nanometerskala. Deshalb wurden Röntgenbeugungsexperimente unter streifendem Einfall am Synchrotron durchgeführt, um die epitaktische Heterostruktur im Hinblick auf Defekt- und Spannungseigenschaften mit hoher Auflösung und Sensitivität zerstörungsfrei zu untersuchen. Raman-Spektroskopie unterstützt durch Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode wurde verwendet, um die Spannungsverteilung innerhalb einzelner Ge/Si-Nanostrukturen zu charakterisieren. Zusätzlich wurde großer Wert auf die Transmissionselektronenmikroskopie gelegt, um die Qualität der Ge-Schichten zu bestimmen. Es wurde gezeigt, dass Ge Nanocluster hoher Qualität auf Si-Säulen mit einer Strukturgröße über 50 nm nach einer thermischen Temperung erzielt werden können. Es konnte bewiesen werden, dass keine Spannungsaufteilung, jedoch eine klassische, plastische Relaxation erfolgt. Im Gegensatz zur Theorie der Nanoheteroepitaxie, die eine Spannungsaufteilung für Si-Säulen kleiner als 50 nm vorhersagt, wiesen auch Ge/Si Heterostrukturen in diesen Strukturgrößen in unseren Messungen keine Spannungsaufteilung auf. Das Fehlen des Einsetzens einer Spannungsaufteilung zwischen Ge und Si konnte hauptsächlich auf die durch die SiO2-Wachstumsmaske hervorgerufenen Spannungen zurück-geführt werden. Im Gegensatz zu Nanostrukturen, die auf einem Si(001) Wafer aufgewachsen wurden, bestätigen erste Resultate dieser Arbeit das Einsetzen einer Spannungsaufteilung in Ge/Si Nanostrukturen auf Silicon-on-insulator Substraten. Der Effekt des sich anpassenden Substrats wurde sogar eindeutig für Strukturgrößen über 50 nm beobachtet. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass die Theorie der Nanoheteroepitaxie mit sich anpassendem Substrat ein interessanter Ansatz ist, um gitterfehlangepasste Halbleitermaterialien in hoher Qualität in eine Standard-Si-Mikroelektronik-technologie zu integrieren und hohe Leistung und/oder neue Funktionalitäten zu ermöglichen. Natürlich beinhaltet dies nicht nur Ge, sondern auch III-V Halbleiter wie z.B. GaAs. Die Theorie berücksichtigt aber noch nicht einige wichtige Aspekte des Wachstums dünner Schichten im Nanometerbereich. Ursache ist das Fehlen wesentlicher experimenteller Daten, wie sie erst durch moderne Synchrotronquellen zugänglich geworden sind. Es ist dies das wesentliche Ziel dieser Arbeit, diese experimentelle Grundlage für das Ge/Si System zu legen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Grzegorz Kozlowski
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-24512
Referee / Advisor:Prof. Dr. Thomas Schröder
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2012
Date of final exam:2012/04/24
Release Date:2012/05/16
Tag:Germanium; Heteroepitaxie; Raman Spektroskopie; Röntgenbeugung; Silizium
Germanium; Heteroepitaxy; Raman spectroscopy; Silicon; X-ray diffraction
GND Keyword:Heteroepitaxie
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Halbleitermaterialien
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Halbleitermaterialien
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