Synthese und Charakterisierung von Eindimensionalen Ge-basierten Nanostrukturen Metastabiler Zusammensetzung

Abstract

Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersKumulative Dissertation aus vier ArtikelnDie Integration von Ge in die Si basierte Halbleiterindustrie war aufgrund von Problemen mit dessen nativen Oxid lange Zeit nicht rentabel. Es wurde allerdings ein Weg gefunden diese Probleme zu umgehen und Ge erfolgreich auf Si-Plattformen zu integrieren. Die herausragenden elektrischen Eigenschaften von Ge im Vergleich zu Si konnten ausgenutzt werden, um neuartige Hochleistungsbauteile zu entwickeln. Heutzutage ist das effiziente Dotieren von Ge, welches für Si bereits weitestgehend erforscht ist, im Fokus dieses Forschungsfeldes. Außerdem sind metastabile Ge Legierungen von großem Interesse, da sie die Möglichkeit bieten Ge von einem indirekten Halbleiter mit schlechter Lichtabsorption und emission im mittleren Infrarotbereich in einen direkten Halbleiter umzuwandeln. Die Reduktion von Materialdimensionen innerhalb des Nanometerregimes ermöglicht das Wachstum von Materialien mit speziellen Eigenschaften und Zusammensetzungen, welche aus thermodynamischer Sicht unerreichbar wären, können dadurch realisiert werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Wachstum anisotroper, metastabiler Legierungen in einem metallunterstützten Bottom up Wachstumsprozess mittels SLS/VLS Mechanismus. Der Einbau des Wachstumkeims durch das Einfangen von Atomen an der Wachstumsfront des wachsenden Ge Kristalls wird in einem kinetisch kontrollierten Prozess bei sehr niedrigen Temperaturen durchgeführt. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird über den Einbau von Ga in die Ge-Matrix mithilfe eines Gasphasenprozesses berichtet. Die metastabile Legierung enthält ungefähr die vierfache Menge an Ga im Vergleich zur thermodynamisch festgelegten Löslichkeitsgrenze bei hohen Temperaturen. Dies entspricht dem 50-fachen des thermodynamisch möglichen Einbaus bei der eigentlichen Wachstumstemperatur. Das erzeugte Material ist sehr leitfähig und zeigt metallähnliches Verhalten. Außerdem wird der Einbau von Sn in einen anisotropen Ge-Kristall, mithilfe eines Mikrowellenprozesses in flüssiger Phase, realisiert. Die metastabilen, nanostrukturierten Ge1-xSnx-Legierungen (x = 0.17 - 0.28) werden durch homogene Nukleation und ohne die Verwendung eines Templates erzeugt. Es können dabei einige neue Erkenntnisse, wie die hohe thermische Stabilität von Sn, die Stabilität der Ge1-xSnx-Legierungen bei An und Abwesenheit von metallischem Sn sowie ein Zerfall der metastabilen Legierung durch Festphasendiffusion, gewonnen werden. Darauf basierend wird eine Phasenkarte erstellt, die kinetische Einflüsse inkludiert. Außerdem werden physikalische Eigenschaften der hergestellten Materialien, wie die Leitfähigkeit und die indirekte Beobachtung eines direkten Halbleiterverhaltens, präsentiert. Die Ergebnisse der Mikrowellenmethode werden verwendet, um einen Gasphasenprozess für das epitaktische Wachstum von anisotropen, metastabilen Ge1-xSnx-Legierungen mit hohem Sn Gehalt (19 at. %) auf einem Ge-Substrat zu ermöglichen. Die Größenabhängigkeit einer Übergangszone, die den Unterschied der Gitterparameter zwischen dem Substrat und der wachsenden Legierung ausgleicht, wird untersucht. Schließlich wird die direkte Bandlücke des Materials (0.29 eV) mittels Photolumineszensmessungen bestimmt. Die präsentierte Methode ist ein weiterer Schritt in Richtung der Integration dieser metastabilen Legierung auf eine Si-Plattform. Die synthetisierten Materialien werden mittels Elektronenmikroskopie, Röntgendiffraktion, IR Absorption und Photolumineszensmessungen charakterisiert. Außerdem werden Einzeldrahtmessungen an metastabilen Ge1-xSnxund Ge1-xGax-Nanodrähten zur Evaluierung der elektrischen Eigenschaften durchgeführt. Die erhaltenen Resultate dieser Arbeit liefern ein tieferes Verständnis der Syntheseparameter metastabiler Verbindungen und zeigen neue Methoden zur Synthese von Materialien bei kinetisch kontrollierter Prozessführung.Problems concerning the native oxide of Ge hampered the integration of Ge into the Si based semiconductor industry. After solving these problems and the successful integration of Ge on Si platforms, the superior properties of Ge in terms of hole and electron mobility when compared to Si have been used to develop novel high performance devices. Nowadays, efficient doping of Ge which is already well established for Si is now in the focus of this research field. In addition, metastable compounds based on Ge are of great interest due to the possibility of transforming Ge from an indirect bandgap semiconductor with very poor absorption and emission of light in the mid IR range into a direct bandgap semiconductor. The down scaling of materials dimensions towards the nanometre regime enables the growth of materials with special properties and compositions which cannot be observed and reached for bulk materials. This work focuses on the growth of anisotropic, metastable alloys in a metal assisted bottom up growth process by the SLS/VLS mechanism. The incorporation of the metal growth promoter by solute trapping during the growth of the Ge crystal is targeted which requires a kinetically controlled process at very low temperatures. In the first part of the results section the incorporation of Ga in a Ge crystal matrix via a vapour phase process is described. The metastable composition of the material contains approximately four times the solubility limit at high temperatures and 50 times the composition limit at the actual growth temperatures. The material is highly conducting and shows metal like behaviour. Furthermore, the incorporation of Sn in anisotropic Ge crystals is realised via a solution based microwave assisted process. The metastable Ge1-xSnx alloy (x = 0.17 - 0.28) nanostructures are formed via homogeneous nucleation and without the use of a template. Several new findings such as the stability of Sn at high temperatures, the Ge1-xSnx materials stability with and without the presence of metallic Sn as well as the solid state diffusion mechanism for the material degradation are observed. Based on these results, a phase map is suggested including the kinetic influence on phase evolution. In addition, the physical properties such as conductivity and indirect observation of a direct bandgap material are presented. The results obtained by this microwave approach are used to implement a vapour phase process for the epitaxial growth of anisotropic, metastable Ge1-xSnx alloys with high Sn contents of 19 at. % on a Ge substrate. The size dependence of a transition zone to accommodate the lattice mismatch between the growing material and the substrate is described. Finally, a direct bandgap of the material (0.29 eV) is demonstrated by photoluminescence. This is a significant step towards to the integration of this compound on a Si platform. The obtained materials are characterised by electron microscopy, X ray diffraction, IR absorption, and photoluminescence measurements. Furthermore, single NW devices are fabricated to evaluate the electronic properties of metastable Ge1-xSnx and Ge1-xGax nanowires. Results obtained in this thesis provide a deeper understanding of synthesis parameters of metastable compounds and demonstrate new approaches for the synthesis of materials achieved under kinetically controlled growth conditions.12