Kontrollierte Positionierung selbstorganisierter SiGe-Inseln

Halbleiternanostrukturen haben aufgrund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften, aber auch aufgrund ihres Anwendungspotentials, in den letzten Jahren großes Interesse gefunden. Die Bewegung der Ladungsträger ist in solchen Nanostrukturen durch Potentialbarrieren auf einen kleinen Raumbereich beschränkt. Wenn dieser Bereich kleiner als die Wellenlänge der Ladungsträger wird, werden die elektronischen Zustände quantisiert und diskrete Energieniveaus treten auf. In sogenannten Quantenpunkten wird die Ladungsträgerbewegung in allen drei Raumrichtungen beschränkt. Die Herstellung dieser Quantenpunkte ist aufwendig, weil die notwendigen kleinen Abmessungen an der Grenze der heute verfügbaren lithografischen und Halbleiterprozessierungs-techniken liegen, aber auch weil die Grenzflächen der Quantenpunkte defekt-frei gehalten werden müssen, um gute elektronische Eigenschaften zu ermöglichen. Neben den üblichen Strukturie-rungstechniken hat sich in den letzten Jahren vor allem das spontane Wachstum von dreidimen-sionalen Inseln in der Heteroepitaxie als neue Möglichkeit zur Realisierung von Quantenpunkten etabliert. Treibende Kraft für diese Inselbildung ist die elastische Relaxation in freistehenden Inseln. Üblicherweise weist die Lumineszenz von Punktensembles eine starke inhomogene Verbreiterung durch die Größenverteilung der Inseln und durch Gestaltsvariationen auf. In diesem Projekt streben wir an, Ge-reiche Inseln in zweidimensional periodischen Anordnungen abzuscheiden, um so eine enge Grössenverteilung zu erreichen. Dazu schlagen wir vor, zweidimensional periodische Nukleationszentren für die Inseln zu schaffen, die ihre laterale Ordnung erzwingen. Durch Lithographie und Ätzverfahren sollen in Si-Substraten bzw. SiGe-Epitaxieschichten die Positionen für das nachfolgende selbstorganisierte Wachstum Ge-reicher Inseln definiert werden. So werden die Vorteile von lithografisch definierten Strukturen, vor allem ihre Periodizität, mit der Defektfreiheit von selbstorganisiert gewachsenen Inseln kombiniert, und die Nachteile der Nanofabrikation durch Lithografie und Ätzen (Defekte an den Seitenwänden von Nanostrukturen) sowie auch die Nachteile des selbstorganisierten Wachstums (Grössenfluktuationen) vermieden. Wir werden die Inseln in bezug auf Gestalt, Grösse und Zusammensetzung charakterisieren. Dazu werden wir verschiedene Techniken der Röntgenbeugung und -streuung anwenden, adaptieren und weiterentwickeln, um insbesondere die Änderung von Gestalt und Zusammensetzung beim Überwachsen der Inseln zu studieren. Unterstützend werden Transmissionselektronen- und Rasterkraftmikroskopie zur Analyse eingesetzt. Die elektronischen Eigenschaften werden durch Photolumineszenz untersucht.

Halbleiternanostrukturen, wie sogenannte Quantendrähte und Quantenpunkte, haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer besonderen physikalischen Eigenschaften und ihres Potentials für neuartige elektronische und optoelektronische Bauelemente großes Interesse gefunden. Diese Eigenschaften rühren von Quantenphänomenen her, d.h. die Eigenschaften der Nanostrukturen hängen nicht nur von ihrer chemischen Zusammensetzung sondern auch von ihrer Größe und Gestalt ab. Dies führt dazu, daß man diese Eigenschaften durchstimmen kann. Quantenpunkte bestehen typischerweise aus etwa 10 000 bis 100 000 Atomen. Falls sie in ein geeignetes Matrixmaterial eingebettet werden, so können sie sowohl für die Lichterzeugung (in Form von Lasern) als auch für die Lichtdetektion Verwendung finden. In diesem Vorhaben wurden winzige Silizium-Germanium (SiGe) Inseln mit typischen Abmessungen von 100 nm Durchmesser und 10 nm Höhe auf einkristallinen Silizium (Si) Substraten abgeschieden. Üblicherweise wachsen diese Inseln auf ebenen Substraten mit einer zufälligen Verteilung ihrer Positionen. Für Anwendungen dieser Inseln in Lichtdetektoren ist eine unregelmäßige Anordnung zwar nicht notwendigerweise von Nachteil, aber für elektronische Anwendungen wird ein hoher Grad an lateralen Ordnung erforderlich, um einzelne Inseln adressieren zu können. Um derartige Inseln regelmäßig anzuordnen, wurden die Si Substrate vorstrukturiert, und zwar mit lithographischen und Ätzverfahren, ähnlich denen, die in der Halbleiterindustrie für die Herstellung von elektronischen Bauelementen verwendet werden. Es wurde eine periodische Anordnung von Löchern in der Si Oberfläche hergestellt, bevor Ge abgeschieden wurde. Im Zuge des Projekts wurden die geeigneten Wachstumsbedingungen ermittelt unter denen Ge Atome in den Löchern zu Inseln nukleieren und ein regelmäßiges zweidimensionales Muster ergeben. Die strukturellen Eigenschaften der Inseln (Größe, Gestalt, chemische Zusammensetzung, Gitterdehnung) wurden durch Röntgenstreumethoden bestimmt. Selbst wenn reines Ge abgeschieden wird, so kommt es aufgrund der Wachstumstemperturen um 600C zu einer Durchmischung, und die Inseln bestehen tatsächlich aus SiGe Legierungen. Der Ge Gehalt nimmt von der Bodenfläche zur Spitze der Inseln hin zu. Diese Änderungen der chemischen Zusammensetzung konnten mit neuartigen Röntgenbeugungstechniken im Nanometermaßstab bestimmt werden.