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Investigations of the electronic and electrical properties of Si twinning-superlattices in Si-based semiconductor structures on step-free Si(111)-mesas

Subject Area Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
Term from 2014 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 251180114
 
Final Report Year 2017

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war es, neuartige Heterostrukturen (heteropolytypische Strukturen) bzw. Übergitter (Zwillingsübergitter) auf der Basis eines kontrollierten Einbaus von Zwillingsstapelfehlern in Si-Schichten herzustellen und deren physikalische Eigenschaften zu untersuchen. Ein besonderer Aspekt war hierbei das Wachstum der Si-Zwillingsübergitter auf stufenfreien Si(111)-Oberflächen. Die Si-Oberfläche sollte hierfür in kleine Bereiche (Mesa) strukturiert werden und die auf der Mesa-Oberfläche noch vorhandenen Stufen in einem Epitaxieprozess ausgewachsen werden. Diese Zielsetzung wurde bezüglich der Schaffung der wesentlichen Voraussetzungen für die Herstellung und elektrische Charakterisierung der Zwillingsübergitter auf Mesa-Oberflächen erreicht. Es konnten reproduzierbar atomar glatte Mesa-Oberflächen mit einer Ausdehnung von 10µmx10µm mittels Epitaxie hergestellt werden. Im Weiteren wurde ein Prozessablauf zur elektrischen Kontaktierung der Mesa-Strukturen entwickelt und in Teilschritten optimiert. Dies ermöglichte es, elektrische Charakterisierungen an den Strukturen mittels verschiedener Methoden zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften durchzuführen. Die erreichten wissenschaftlichen Ergebnisse entsprechen jedoch nicht den Erwartungen. Ein Nachweis des Einflusses von Si-Zwillingsübergitterstrukturen auf den Ladungsträgertransport war im Rahmen dieser Arbeit noch nicht möglich. In der Projektlaufzeit wurden mögliche Fehlerquellen und Lösungsansätze identifiziert. Diese konnten jedoch bedingt durch Probleme in der Projektorganisation und technischen Durchführung noch nicht beseitigt bzw. umgesetzt werden. Die wesentlichen, neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse resultieren aus den Wachstumsuntersuchungen zur Präparation der stufenfreien Mesa-Oberflächen auf Si(111). Hier wurde insbesondere gefunden, dass es für einen bestimmten Bereich der Wachstumstemperatur zu einer sprunghaften Vergrößerung der realisierbaren stufenfreien Bereiche kommt. Dieses überraschende Ergebnis konnte innerhalb wachstumstheoretischer Untersuchungen aufgeklärt werden, als Effekt, der aus dem plötzlichen Auftreten von Domänen zweier Oberflächenstrukturen mit unterschiedlichen Transporteigenschaften resultiert. In Untersuchungen zum Einfluss von Bor auf die Planarisierung der Mesa-Oberflächen wurde festgestellt, dass eine Anreicherung von Bor an der Oberfläche den Massetransport von Adatomen behindert und somit die Ausdehnung stufenfreier Bereiche reduziert. Die Stärke dieses Einflusses ist wiederum abhängig von der Menge an Bor, was wiederum mit der Ausbildung von Domänen mit unterschiedlicher Oberflächenstruktur erklärt werden kann. Bezüglich der physikalischen Eigenschaften der hergestellten Strukturen konnte zumindest gezeigt werden, dass sich mit der angewandten Methode, der Präparation von Zwillingsübergittern durch kontrollierten Einbau von Zwillingsstapelfehlern auf einer Bor-terminierter Si-Oberfläche, einseitig abrupte p-n-Dioden herstellen lassen und sich die Transportmechanismen für Ladungsträger insbesondere für tiefere Temperaturen deutlich von denen herkömmlicher Dioden unterscheiden. Darüber hinaus zeigten Hall-Messungen, dass sich die Löcherbeweglichkeit in wenige Nanometer dünne, hoch Bor-dotierten Schichten in Zwillingsorientierung gegenüber herkömmlichen, ähnlich hoch dotierten Schichten um bis zu 20 % erhöht. Dies könnte ein Hinweis auf die Lokalisierung von Ladungsträgern aufgrund der Ausbildung eines Potentialtopfes im Valenzband sein.

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