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Selective growth and characterization of GeSn nanostructures on patterned Si wafers

Selektives Wachstum und Charakterisierung von GeSn Nanostrukturen auf strukturierten Si Wafern

  • 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-patternedOver 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.show moreshow less
  • 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 aufIn 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Viktoria Diana Schlykow
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48860
Referee / Advisor:Prof. Dr. Inga Anita Fischer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Date of final exam:2019/06/11
Release Date:2019/08/07
Tag:Gruppe IV; Nanoheteroepitaxie; Photolumineszenz; Selektives Wachstum
Group IV; Nanoheteroepitaxy; Photoluminescence; Selective growth
GND Keyword:Germanium; Zinn; Silicium; Heteroepitaxie; Photodetektor
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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