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

Groep: DiSC

Promotoren: Prof. Henk Vrielinck en Prof. Eddy Simoen

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 metaalinterconnecties die de verschillende transistoren en circuitblokken 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 siliciumwafer. Silicium zelf is allesbehalve een goed materiaal voor dat soort toepassingen, wegens zijn indirecte verboden zone. Dit reduceert sterk het rendement van directe optische recombinatie van een elektron-gatpaar, met emissie van een foton. Anderzijds zijn de klassieke optische materialen zoals GaAs moeilijk te integreren op een siliciumsubstraat wegens de verschillen in roosterparameter. Bijgevolg is men op zoek naar een groep-IV legering (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 laserwerking 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” (onder andere 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 doel is om de elektrische (en eventueel ook optische) eigenschappen van de defecten in GeSn lagen te bestuderen. Daarvoor beschikken we over Deep-Level Transient Spectroscopy (DLTS). Complementaire karakterisatie kan eventueel gebeuren op imec (Leuven). Een voorbeeld van een DLTS 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, die gedeponeerd worden op een n-type Ge-op-Si virtueel substraat. De lagen worden op imec gegroeid en daarna structureel en elektrisch gekarakteriseerd, met behulp van bijvoorbeeld X-stralen diffractie (XRD - stress, compositie,...) en Hall-effectmetingen. Vervolgens wordt een Aluminium Schottkybarrière 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 Infraroodspectroscopie (FTIR) kan bijkomende informatie over de aanwezige defecten leveren.

Opmerkingen:

Het onderwerp is hoofdzakelijk experimenteel en kan worden aangevuld met modellering van devices.
Dit thesisonderwerp kan ook opgenomen worden in het kader van de Educatieve Master Fysica en Sterrenkunde.

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., Applied Physics Letters 113, 0221022018).

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., Applied Physics Letters 113, 0221022018).