Eigenschaften und Anwendung epitaktischer IV-VI Schichten

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1 Diss. ETH Nr Eigenschaften und Anwendung epitaktischer IV-VI Schichten ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels DOKTOR DER NATURWISSENSCHAFTEN der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von Karim Alchalabi Dipl. phys. Universität Freiburg geboren am 29. Februar 1968 von Deutschland angenommen auf Antrag von: Prof. Dr. G. Kostorz, Referent Prof. Dr. Günther Springholz, Korreferent PD Dr. H. Zogg, Korreferent 2001

2 Summary In the present work investigations are presented on the epitaxial growth of binary narrow-gap compound semiconductors by molecular beam epitaxy (MBE) on different substrates and their applications. Within the scope of this thesis nanostructures for the use as infrared (IR) emitters are investigated and a low cost IR focal plane array (FPA) is developed. The nanostructures are grown on (100) oriented BaF 2 crystal surfaces and on (111) oriented structured silicon substrates with the narrow-gap semiconductors PbTe and PbSe. Using these materials, structures are realized where the spatial dimensions are smaller then the de Broglie wavelength of the charge carriers. As result of the quantization of the energy states in the valance band and conduction band in the case of restriction in all three dimensions, quantum dots are formed. On the BaF 2 (100) substrates misfit dislocations are introduced on purpose to realize nanostructures formed by a dislocation network with the materials PbTe and PbSe. A strictly periodic misfit dislocation superlattice on an area of 150 x 150 nm can be manufactured. In contrast to the growth mechanism mentioned above, island-growth (also called Stranski-Krastanov growth) is used to form quantum dots. Because of the lattice mismatch between PbSe and PbTe, small island of pyramidal shape are formed during the growth of PbSe on PbTe. The pyramids show an average height of 18 nm with a deviation of only 1%. The dot density is around 0.5x10 10 per cm 2. 5

3 6 INHALTSVERZEICHNIS In addition a 96 x 128 IR diode array based on a narrow-gap semiconductor on an active Si(111) substrate is realized. The substrate contains the complete CMOS 1 readout circuit for addressing each pixel. Therefore, a substrate cleaning is developed where within the process due to the CMOS substrate the maximum temperature does not exceed 400 C. In the CMOS process aluminium interconnects are used, which can not withstand temperatures higher than 400 C. During the photolithographic steps the specific chemical properties of PbTe had to be considered, especially the easy formation of oxide layers in alkaline solutions. On average the Schottky diodes of the array show a differential resistance area product R 0 A of 80 Ωcm 2 at -183 C. With regard of further applications pn junction diodes were fabricated with a CMOS compatible standard photolithographic process. Compared with Schottky diode they exhibit lower dark current and therefore lower noise level. A invers proportional relation between the dislocation density and the R 0 A product is found. The diodes feature average R 0 A values of 140 Ωcm 2 at -183 C. 1 CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor

4 Kurzfassung In der vorliegenden Arbeit wird über das epitaktische Wachstum von binären schmalbandigen Bleichalkogenid-Verbindungshalbleitern mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf unterschiedliche Substrate und deren Anwendung berichtet. Es wurden einerseits Nanostrukturen für die Verwendung als Infrarot- (IR) Emitter untersucht, und anderseits konnte ein kostengünstiger IR-Detektorarray (FPA) entwickelt werden. Die Herstellung der Nanostrukturen erfolgte auf BaF 2 (100) orientierten Kristalloberflächen und auf Si(111)-orientierten Si mit den Schmalbandhalbleitern PbTe oder PbSe. Mit diesen Materialien sind Strukturen hergestellt worden, bei denen die räumlichen Abmessungen kleiner als die de-broglie- Wellenlänge der Ladungsträger sind. Aufgrund der daraus resultierenden Quantisierung der Energiezustände sowohl im Valenz- als auch im Leitungsband werden bei Einschränkungen in allen drei Raumrichtungen sogenannte Quantenpunkte erzeugt. Auf BaF 2 (100)-Substraten wurde bewusst der Einbau von Fehlpassungsversetzungen benutzt, um Nanostrukturen mit Hilfe eines Versetzungsnetzwerkes auf der Basis der Materialien PbSe und PbTe herzustellen. Dabei konnte ein streng periodisches Versetzungsübergitter auf einer Fläche von 150 x 150 nm hergestellt werden. Im Gegensatz dazu wurde auf Si(111)-Substraten das Insel-Wachstum (auch Stranski-Krastanov Wachstum genannt) genutzt, um Nanostrukturen herzustellen. Aufgrund der Gitterfehlpassung zwischen PbSe und PbTe entstehen beim Abscheiden von PbSe auf PbTe pyramidenförmige Strukturen. Die hergestellten Strukturen weisen eine mittlere Höhe von 18 nm mit Abweichungen von nur 1% auf. Die Dichte der Quantenpunkte liegt bei 0, pro cm 2. 7

5 8 INHALTSVERZEICHNIS Zusätzlich wurde ein 96 x 128 IR-Diodenarray auf der Basis eines Schmalbandhalbleiters auf einem aktiven Si(111) Substrat realisiert. Das aktive Substrat enthält dabei die komplette CMOS 2 Ansteuer- und Ausleseelektronik für die einzelnen Diodenpixel. Hierzu ist eine Substratreinigung entwickelt worden, bei der die maximale Temperaturbelastung, aufgrund des verwendeten CMOS Substrats 400 C nicht überschreitet. In CMOS Prozessen werden Aluminiumleiterbahnen verwendet, welche Temperaturen von mehr als 400 C nicht widerstehen. Bei den Photolithographieschritten mussten die speziellen chemischen Eigenschaften des hier verwendeten PbTe, im besonderen die Bildung von Oxiden in alkalischen Lösungen, berücksichtigt werden. Die Dioden des mit Schottkybarrieren realisierten Arrays wiesen im Mittel normierte Widerstands-Flächenprodukte R 0 A von 80 Ωcm 2 bei -183 C auf. Im Hinblick auf weitere Anwendungsmöglichkeiten wurden strukturierte pn-dioden mit Hilfe von CMOS kompatiblen photolithographischen Standardprozessen hergestellt. Diese haben gegenüber Schottky-Dioden kleinere Dunkelströme und weisen dadurch ein geringeres Rauschen auf. Es kann ein umgekehrt proportionaler Zusammenhang zwischen der Versetzungsdichte und dem R 0 A-Produkt gezeigt werden. Die Dioden besitzen mittlere R 0 A- Werte von 140 Ωcm 2 bei -183 C. 2 engl. Combined Metall Oxide Semiconductor