Einfluss der Präparationsbedingungen auf die strukturellen und dielektrischen Eigenschaften von Gd2O3-Schichten gewachsen mit Molekularstrahlepitaxie auf Si(001)

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Gribisch, Philipp: Einfluss der Präparationsbedingungen auf die strukturellen und dielektrischen Eigenschaften von Gd2O3-Schichten gewachsen mit Molekularstrahlepitaxie auf Si(001). Hannover : Gottfried Wilhelm Leibniz Universität, Diss., 2020, viii, 200 S. DOI: https://doi.org/10.15488/10326

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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Einflussesder epitaktischen Wachstumsparameter auf die Kristallstruktur, dieMorphologie und die dielektrischen und elektrischen Eigenschaften vonGadoliniumoxid (Gd2O3)-Schichten gewachsen auf Si(001).Das Wachstum der Gd2O3-Schichten wurde mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxiedurchgeführt und in zwei unterschiedlichen Temperaturbereichenuntersucht: das Wachstum bei tiefen Temperaturen (250 °C - 400 °C) unddas Wachstum bei hohen Temperaturen (850 °C).Beim Wachstum bei tiefen Temperaturen bildet sich in Abhängigkeitvom Sauerstoffpartialdruck eine unterschiedliche Kristallstruktur aus. DieGd2O3-Schichten gewachsen mit geringem Sauerstoffpartialdruck (pO2 ) zeigeneine kubische Struktur mit einer (110)-Orientierung. Beim Wachstummit einem höheren Sauerstoffpartialdruck, bildet die Gd2O3-Schicht diemonokline Phase mit einer (20¯1)-Orientierung in sechs rotationssymmetrischenDomänen aus. Die Änderung der Kristallstruktur in Abhängigkeitvom Sauerstoffpartialdruck kann auf der Grundlage des Gibbs-Thomson-Effektes erklärt werden, wobei eine spannungsinduzierte Phasentransformationaufgrund der Änderung der kritischen Keimgröße stattfindet. Ander Gd2O3/Si-Grenzfläche bildet sich im Anfangsstadium des Wachstumseine amorphe Zwischenschicht mit konstanter Dicke aus, was anhand vonthermodynamischen Effekten erklärt werden kann. Eine RTA-Temperungin Stickstoffatmosphäre führt zu einer Vergrößerung der Dicke der Zwischenschichtin Abhängigkeit von der Temperatur, wobei die Anwesenheitvon Restsauerstoff während der Temperung als Ursache vermutet wird.Beim Gd2O3-Wachstum bei hohen Temperaturen bildet sich eine kubischeKristallstruktur mit einer (110)-Orientierung mit zwei senkrecht zueinanderorientierten Domänen aus. Auf der Oberfläche bilden sich nanodrahtartigeStrukturen aus, die senkrecht zueinander angeordnet sind. Des Weiterenzeigt die Siliziumoberfläche eine starke Facettierung. Als Ursache für dieFormierung der nanodrahtartigen Strukturen wird eine Kombination ausunterschiedlichen Prozessen angenommen. Eine erhöhte Diffusion entlangder Dimerreihen kann für die Bildung der Strukturen verantwortlich sein.Außerdem ist eine anfängliche Ausbildung eines Silizids als Ursache für dieFacettierung der Si-Oberfläche denkbar, das die Struktur vorgibt und sichwährend des weiteren Wachstums in ein Oxid umwandelt.Ferner weisen die Gd2O3-Schichten gewachsen bei tiefen Temperatureneine große Bandlücke (5,8 eV) und eine symmetrische Bandanordnungzu Silizium auf. Die Schichten mit monoklinem Gd2O3-Anteil wurden imHinblick auf die Identifikation von vorhandenen Defektarten und -dichtenund Leckstromverhalten elektrisch charakterisiert. Es zeigt sich zunächsteine erhöhte Defektdichte, die sich jedoch durch die Variation der Wachstumsparameter (T, pO2 ) und einer nachträglichen Formiergastemperungdeutlich reduzieren lässt. Die dielektrische Konstante der monoklinen Strukturist gegenüber der kubischen Struktur deutlich erhöht und wurde zuεox = 33±2 bestimmt. Für die Zwischenschicht wurde εil ≈ 7 ermittelt,was auf eine silikatische Komposition hindeutet. Des Weiteren zeigen sichniedrige Leckströme im Bereich von einigen μA bis nA, was die Anwendungder Schichten in elektronischen Bauelementen ermöglicht.Insgesamt konnte gezeigt werden, wie die Struktur und Morphologie sowiedie dielektrischen Eigenschaften von Gd2O3 gewachsen auf Si(001) durchdie Variation der Wachstumsparameter modifiziert werden können.
License of this version: CC BY 3.0 DE
Document Type: doctoralThesis
Publishing status: publishedVersion
Issue Date: 2020
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