Epitaxie επι(epi) auf ταξιζ(taxis) anordnen

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1 Forschungsschwerpunkte am Laboratorium für f Informationstechnologie Strukturen für nanoelektronische Bauelemente Intensity (a.u.) 28.5 nm Gd 2 p O2 = 5x10-7 mbar 6H-SiC(0006) Epitaktische Oxide Gd 2 (111) auf SiC Intensity(x10 3 cps) 25 Si2p Si 0 Si+ Si Analyse 1- Si und Modifizierung Si von Si Grenz- und Oberflächeneigenschaften Binding energy(ev) Epitaxie επι(epi) auf ταξιζ(taxis) anordnen Θ (deg) Neues Silizium

2 Verfahren: Molecular beam epitaxy (MBE) Fluorezenzschirm Substratheizer Substrat Molekularer Fluss von Molekülen und Atomen Elektronen- Quelle Beugungsbild e - - Strahl-Verdampfer Si: ~1200 C, Ge: ~800 C Ultrahochvakuum (~10-10 mbar) Freie Weglänge > 1000 km Vorteile der UltrahochVakuum-Bedingungen Bedingungen: keine gegenseitige Wechselwirkung der Moleküle und Atome in der Kammer Zeit zum Wachstum einer Atomlage << Zeit zur Bedeckung mit Verunreinigungen In situ Beobachtung des Wachstums durch Elektronenbeugung

3 Wachstumsbestimmende Schritte bei der Epitaxie Adsorption-Desorption Dissoziation, Diffusion Keimbildung, Anlagerung

4 Epitaxie von Strukturen für f Si-basierende nanoelektronische Bauelemente Integration von Si-Nanostrukturen in epitaktische Oxide für Quanteneffekt-Bauelemente (z.b. Resonante Tunneldiode, -Transistoren, Speicher) E Gd 2 Si Gd 2 hole confined states E E L L2 E electron confined L1 states { Type I Doppelheterostruktur Lokalisierung von Elektronen und Löchern im Si-Quantum-Well ΔE c = 2.6, ΔE v = 2.2 ev } Barrier Well/Dot Barrier E V z 5 nm 25 nm Pt contact 2. Gd 2 barrier Si well 1. Gd 2 barrier Si(111) sub A.Fissel, D. Kühne, E. Bugiel, H.J. Osten, Cooperative solid-vapor-phase epitaxy: An approach for fabrication of single-crystalline insulator/si/insulator nanostructures, Appl. Phys. Lett. 88 (2006)

5 Epitaxie von Heterostrukturen für f Si-basierenden Nanostrukturen Modifiziert Konventionell Gd 2 (111) Si(111) γ Sch > γ Su + γ Gr (keine Benetzung)(Si auf Oxid) Gd 2 (111) Gd 2 (111) Si(111) γ Sch γ Su + γ Gr (gute Benetzung)(Oxid auf Si) Si(111) Wachstumsmoden durch Grenz- und Oberflächenenergetik bestimmt: Δγ = γ Sch + γ Gr γ Su γ Sch Oberflächenenergie der Schicht γ Gr Grenzflächenenergie Oberflächenenergie des Substrats γ Su

6 Modifikation durch epitaktisch gekapselte Festphasenepitaxie Si-Beschichtung bei tiefen Temperaturen Inselbildung kinetisch verhindert 360 K amorphes Si Gd 2 (111) 900 K Festphasenepitaxie von Si Gd 2 (111) Si(111) Si(111) 900 K 500 K 360 K -Gd-O- Epitaktisch gekapselte Festphasenepitaxie von Si Gd 2 (111) 25 nm Pt contact Si(111) 5 nm 2. Gd 2 barrier Si well 1. Gd 2 barrier Si(111) sub

7 Herstellung von Strukturen für f r nichtflüchtige chtige Speicher mit Nanocluster- Floating Gate Vorteile: Klassische Struktur mit poly-si als Ladungsspeichermedium Struktur mit Metall- oder Halbleiter-Nanoclustern als Ladungsspeichermedium - Reduzierung des defektinduzierten Leckstroms (Entladung) durch das Tunneloxid - Transfer einzelner Elektronen und Arbeiten mit nur wenigen gespeicherten Elektronen Einwachsen von Si-Nanoinseln in die Oxidschicht

8 Epitaktisches Überwachsen von Si-Nanoclustern mit Gd 2 20 nm -Gd-O- Gd 2 (111) Gd 2 Si-nanocluster Si(111) Si(111) 5 nm A. Fissel et al., APL 88(2006) Einbau von kristallinen Si-Nanoinseln in einkristallines Gd 2 Vorteile des epitaktischen Einwachsens: - Definierte Einstellung der Dicke des Tunneloxids - Beeinflussung der Inselgröß öße und der Inseldichte Si-Inseln durch gekapselte Festphasenepitaxie (620 K) 20 nm Pt Si-cluster Gd 2 Si-substrate A. Fissel, A. Laha, E. Bugiel, D. Kühne, M. Czernohorsky, R. Dargis, H.J. Osten, Silicon in functional epitaxial oxides: A new group of nanostructure, Microelectronics Journal (in press)

9 Epitaxie von verschiedenen Strukturtypen des Siliziums (gefördert durch die DFG) Stapelfolge in [111] bzw.. [0001]-Richtung für die häufigsten dicht-gepackten Polytypen 3C (Diamant) 6H 4H 2H (Lonsdalite( Lonsdalite) C B B A C A h C C c 1 B B c 2 A A 0% C 33% 50% 100% Hexagonalität Type I Heterostruktur Lokalisierung von Elektronen und Löchern im hexagonalen Polytyp hh lh Si (hexagonal) 0,1 ev 0,22 ev 0,05 ev 1,12 ev Si (kubisch) Bandlücke (ev) Bandabstand und Valenzband- Diskontinuität als Funktion der Hexagonalität für Si Polytypen C 6H 4H 2H Hexagonalität (%) Valenzeband-Diskontinuität (mev)

10 Technologischer Ansatz Rotation der atomaren Si-Ebenen durch den periodischen Einbau von 1/3 ML Bor in spezielle Gitterplätze tze in der Oberfläche Si-Wachstum{ Si-Wachstum{ Si-Wachstum{ Bor-Bedeckung Bedeckung Bor-Bedeckung Bedeckung Einfluß von Bor in der Si-Oberfl Oberfläche: Si-Wachstum{ 1. Verspannung der Oberfläche durch die Bildung von Si-B-Bindungen Bindungen 2. Oberflächenpassivierung durch Si-B-Ladungstransfer Bor-Bedeckung Bedeckung Bor-Bedeckung Bedeckung Si(111)-Substrat

11 Experiment Wachstum und Bor-Pr Präparation (Blenden- und Temperatur-Regime) B Si T offen geschlossen offen geschlossen 780 C 400 C 2.5 nm pro Zyklus Zeit In situ Kontrolle mittels Elektronenbeugung (RHEED) (7x7)-Si(111) vor Beschichtung ( 3x 3) 3) B-StrukturB Struktur nach B-BeschichtungB Beschichtung (1x1)-Si(111) nach 4 ML Si-Wachstum ( 3x 3)B-Struktur Nach Temperung

12 Erste Ergebnisse Hochaufgelöste TEM-Querschnittsaufnahme eines Zwillingsübergitters mit 8- facher Periodizität entsprechend dem Wachstum von 2,5 nm Si pro Zyklus Bindungstyp B B B B B 2.5 nm 180 Rotations- zwillinge Diamant Lonsdalite (Zwillingsgrenze) Diamant B 5 nm Lonsdalite (Zwillingsgrenze) 50 nm Diamant 10 nm A. Fissel, E. Bugiel, C.R. Wang, H.J. Osten, Formation of twinning-superlattice regions by artificial stacking of Si layers, J. Cryst. Growth 290 (2006) 392.

13 Anwendung von neuen Isolatormaterialien mit höherer herer dielektrischer Konstante Si SiO 2 besitzt nur eine kleine dielektrische Konstante, κ = 3.9. Ultra-dünnes SiO 2 für r die nächste n Transistorgeneration (hohe Leckströme, Degradation, Diffusion von Verunreinigungen) SiC Defekt-reiche SiO 2 /SiC Grenzfläche (Kohlenstoffcluster, Grenzflächendefekte). SiO 2 Degradation unter hohen elektrischen Feldstärken (geringes κ) SiC κ ESiC = κ Oxide E Oxide

14 Anwendung von neuen Isolatormaterialien mit höherer h herer dielektrischer Konstante Schematischer Bandverlauf Gd 2 /Si (ohne thermisches Gleichgewicht) Schematischer Bandverlauf Gd 2 /6H-SiC (ohne thermisches Gleichgewicht) Gd 2 Si Gd 2 6H-SiC E c ΔE C = 2,6 ± 0.2 ev E c ΔE C = 1.8 ± 0.2 ev 1,1 ev 3 ev E V ΔE V = 2.2 ± 0.2 ev E V ΔE V = 1.2 ± 0.2 ev Geeignete Bandkanten- Diskontinuitäten ten Geeignete Bandkanten- Diskontinuitäten ten A. Fissel, M. Czernohorsky, R. Dargis, H.J. Osten, Growth and properties of gadolinium oxide dielectric layers on silicon carbide for high-k application, Mat. Sci. Forum (2007) 655.

15 Eigenschaften von Gd 2 /6H-SiC Strukturen Strukturell Elektrisch V FB <110> <121> Intensity (a.u.) 28.5 nm Gd 2 p O2 = 5x10-7 mbar Gd 2 (111) 6H-SiC(0006) Θ (deg) Capacitance (μf/cm 2 ) Current Density [A/cm 2 ] khz 0.1 V/s 0.4 A = cm d = 14 nm BIAS (V) 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 1E-7 1E-8 1E-9 1E-10 1E nm 28.5 nm Gate Voltage [V] Epitaktisches Wachstum κ eff : 16 ± 2; Stromdichte = 10-8 A/cm Hysterese: : < 0.1 V Dichte beweglicher Ladungen < 5x cm -2 Flachbandspannung: V Dichte der festen Ladungen: ~ 1*10 12 (Eigenschaften vergleichbar mit Gd 2 /Si) A.Fissel, M. Czernohorsky, H.J. Osten, Characterization of crystalline rare-earth oxide high-k dielectrics grown by molecular beam epitaxy on silicon carbide, Journal Vacuum Sci. Technol. B 24 (2006) cm -2

16 Untersuchung und Modifizierung der Grenz- und Oberflächeneigenschaften Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie X-ray photo-electron spectroskopy (XPS) Prinzip hν e - Messung hν S L M Röntgenquelle e - hν Θ i Θ e E kin (e - ) Detektor hν L θ e d Tiefeninformation der chemischen Zusammensetzung und der Bindungszustände nde A. Fissel, Z. Elassar, O. Kirfel, E. Bugiel, M. Czernohorsky, H.J. Osten, Interface formation during molecular beam epitaxial growth of neodymium oxide on silicon, J. Appl. Phys. 99 (2006)

17 Untersuchung der Schichtmorphologie, Schichtdicke, Grenz- und Oberfläche Röntgenreflektometrie & Röntgendiffraktometrie θ θ 10 0 θ d λ d 10-1 Reflectivity 10-2 Δ(2Θ) TwoTheta [degree] Δ(2θ) λ d 2d sin θ = n λ Intensity Theta [degree]

18 Kooperationen im LNQE Nanostrukturen (Prof. Pfnür) Spintronik (Prof. Oestreich) Heterostrukturen für f r Si-Photovoltaik (Prof. Brendel,, Dr. Harder)