Karakterisatie van in-situ gedoteerde n-type GeSn hetero-epitaxiale lagen voor optische interconnecties

Groep: DiSC

Promotoren: Prof. Henk Vrielinck

Begeleiding: Prof. Eddy Simoen

Inlichtingen: tel. 09/264.43.42 of contacteer rechtstreeks een betrokken persoon (de contactgegevens opvragen door op de naam te klikken)

Context:

Een van de belangrijkste hinderpalen voor het verder schalen van de CMOS technologie is de dissipatie in de metaal interconnecties die de verschillende transistoren en circuit blokken met elkaar verbinden op een silicium chip. Dit kan vermeden worden door gebruik te maken van zogenaamde on-chip optische interconnecties. Dit houdt in dat men onder andere photodiodes (detectoren van het optische signaal) en lasers of light-emitting diodes (LEDs) (uitsturen optische signalen) mee integreert op de silicium plak. Silicium zelf is allesbehalve een goed materiaal voor dat soort toepassingen, gezien de indirecte verboden zone. Dit reduceert sterk het rendement van directe optische recombinatie van een elektron-gat paar, met emissie van een foton. Anderzijds zijn de klassieke optische materialen zoals GaAs moeilijk te integreren op een silicium substraat wegens de verschillen in roosterparameter. Bijgevolg is men op zoek naar een groep-IV element verbinding (GeSn, SiGeSn,...) met een directe verboden zone voor deze toepassing. Zowel experimenteel als theoretisch is aangetoond dat Ge1-xSnx een directe halfgeleider wordt voor x=6 tot 8 %. Recent is ook laser werking in een GeSn diode gedemonstreerd. Dit verklaart de huidige interesse in de studie van GeSn gedeponeerd op silicium door epitaxie. Een van de problemen is echter de vorming van zogenaamde “extended defects” (threading en misfit dislocaties – Fig. 1) in de hetero-epitaxiale laag. Dit komt door het grote verschil in roosterparameter (>4%) tussen silicium en Ge(Sn), dat nog toeneemt met de Sn concentratie x. Het is welbekend dat de aanwezigheid van dergelijke defecten een bron is van niet-radiatieve recombinatie van ladingsdragers, en dus een verliespost voor de optische werking van het materiaal.

 

Doelstelling:

Het is de bedoeling van het werk om de elektrische (en eventueel optische) eigenschappen van de defecten in GeSn lagen te bestuderen. Daarvoor beschikken we op het labo over een krachtige techniek, namelijk Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS). Complementaire karakterisatie kan eventueel gebeuren op imec (Leuven). Een voorbeeld van een spectrum op een p-type GeSn laag is gegeven in Fig. 2, waar een piek optreedt als functie van de temperatuur die gekoppeld kan worden aan dislocaties in de GeSn laag. In deze studie zullen in-situ gedoteerde n-type GeSn lagen bestudeerd worden (AsH3 als doteerprecursor; Ge2H6 en SnCl4 als GeSn precursoren), die gedeponeerd worden op een n-type Ge-op-Si virtueel substraat. De lagen worden op imec gegroeid in een Reduced Pressure Chemical Vapor Deposition (RP-CVD) reactor. De lagen worden daarna structureel en elektrisch gekarakteriseerd, met behulp van bijvoorbeeld X-stralen diffractie (XRD - stress, compositie,...) en Hall effect metingen (mobiliteit, ladingsdragersconcentratie en type) (imec, Leuven). Vervolgens wordt een Aluminium Schottky barrière opgedampt om een gelijkrichtend contact te bekomen. Deze barrières kunnen dan met stroom-spanning, capaciteit-spanning en DLTS gekarakteriseerd worden. Optische karakterisatie met Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopie is eventueel ook te overwegen om bijkomende informatie over de aanwezige defecten te bekomen.

Het onderwerp is hoofdzakelijk experimenteel (60 %) en bevat een beperkte literatuurstudie (20 %) en een modeleer fase (20%). Er zijn geen modaliteiten voor mobiliteit.

disc2a

Fig. 1. TEM foto’s van de dislocaties die gevonden kunnen worden aan het grensvlak tussen de Ge0.922Sn0.078 epi-laag en een Ge-op-Si substraat (S. Gupta et al., ACS Mater. and Interfaces, to be submitted).

disc2b

Fig. 2. DLT-specta voor een intrinsieke (p-type) GeSn laag op een Ge-op-Si substraat, waarbij de duur van de spanningspuls (1 V-->0 V) gevarieerd wordt (x=7.8 %) (S. Gupta et al., ACS Mater. and Interfaces, to be submitted).