Einfluss von Kohlenstoff-Deltaschichten auf die Defektausbreitung in der Germaniumepitaxie

Abstract

Die monolithische Integration von Germanium in die Siliziumtechnologie ist ein hochaktuelles Forschungsthema, da auf diese Weise mehrere neue Anwendungsgebiete wie Optoelektronik, Quantencomputer und 2D-Materialien in der Nanoelektronik erschlossen werden können. Die Herausforderung ist hierbei das Wachstum von möglichst dünnen und defektarmen Germaniumschichten mit einem zur Siliziumtechnologie kompatiblen Prozess. Unter diesen Rahmenbedingungen wurde in der vorliegenden Dissertation ein Prozessablauf entwickelt, der auf dem Einsatz von Kohlenstoff-Deltaschichten als Defektfilter beruht. Durch einen zweistufigen Defektfilter konnte die Durchstoßversetzungsdichte in epitaktisch gewachsenen Germaniumschichten gegenüber ungefilterten Referenzproben um den Faktor 1,4 reduziert werden.

Die entwickelten Defektfilterschichten basieren auf dem Prinzip der gitterfehlangepassten Überstrukturen. Die Gitterfehlanpassung entsteht durch eine Kohlenstoff-Deltaschicht, die beim Wachstum im Germanium vergraben wird. Kohlenstoff-Adatome zeigen auf Germaniumoberflächen eine thermodynamisch bevorzugte Bildung von Kohlenstoff-Clustern, die durch geringe Substrattemperaturen kinetisch gehemmt werden kann und in substitutionellem Einbau resultiert. Durch den Einbau wird die Germaniumüberstruktur verspannt, was mit Röntgenbeugung und Nano-Strahl-Elektronenbeugung nachgewiesen wurde. Derart verspannte Überstrukturen zeigten in temperaturabhängigen Analysen eine plastische Relaxation im Bereich 430 °C<T<500 °C. Mit in situ Heizexperimenten im Transmissionselektronenmikroskop konnte die plastische Relaxation über das Ausbilden eines Stufenversetzungssegments in der Kohlenstoff-Ebene live beobachtet werden. Einfache Defektfilterschichten zeigten in dieser Arbeit keinen Vorteil der Defektdichte gegenüber den ungefilterten Referenzproben, für mehrfache Defektfilterschichten wurde eine Reduktion festgestellt. Eine 1,1 µmd dicke Germaniumschicht mit zwei Filterstufen weist eine Defektdichte von 4x10^8 1/cm² auf. Die ungefilterte Referenzprobe gleicher Dicke weist eine um den Faktor 1,4 höhere Defektdichte auf.

Durch Kohlenstoff-Deltaschichten verspannte Überstrukturen sind geeignet, um die Defektdichte in epitaktisch auf Si(001)-Substraten gewachsenen Germaniumschichten zu reduzieren. Derart hergestellte Schichten führen zu einer geringen thermischen Belastung und können mit geringer Schichtdicke gewachsen werden, wodurch sie für eine monolithische Integration in die Si-Technologie geeignet sind.