Untersuchung von Versetzungen in Halbleiterepischichten

Verspannte Epischichten ermöglichen elektronische Bauteile auf Si-Basis mit deutlich erhöhter Ladungsträgerbeweglichkeit. Solche Schichten werden durch epitaktisches Wachstum auf Pseudosubstraten hergestellt, die nichts anderes als relativ dicke, plastisch relaxierte SiGe-Schichten sind. Für deren Relaxation sind Versetzungen verantwortlich, die während des Schichtwachstums gebildet werden, wobei die Details der Versetzungsnetzwerke stark von den Wachstumsbedingungen abhängen. Um den Herstellungsprozeß zu optimieren, braucht man daher eine Methode, um diese Versetzungsnetzwerke zu analysieren. Wir werden dazu Röntgendiffraktionsmessungen (RD) verwenden. RD wurde erfolgreich für die Versetzungsanalyse in Metallen verwendet, in einkristallinen dünnen Halbleiterschichten konnte die Methode bisher aber nur in Spezialfällen angewendet werden. Eine vollständige Charakterisierung von Versetzungen scheitert bisher an einer allgemeinen Beschreibung der Röntgenstreuung an threading-Versetzungen, was für SiGe unbedingt erforderlich ist: Messung an mit einer neuen Wachstumsmethode hergestellten Probe zeigten kürzlich, daß das Versetzungsnetzwerk von Schleifen aus relativ kurzen Versetzungsstücken bestimmt, die mit existierenden Theorien nicht behandelt werden können. In dem hier beschriebenen Forschungsvorhaben werden wir daher vor allem zwei Ziele verfolgen: (i) Erweiterung der Röntgenstreutheorie auf threading-Versetzungen, sodaß die Streuung von Versetzungen mit beliebigen Richtungen simuliert werden kann. (ii) Entwicklung einer Streutheorie für kurze Versetzungsstücke. Für beide Punkte ist die Berechnung des elastischen Verzerrungsfeldes rund um die Versetzungsteile der entscheidende Punkt. Wir werden dazu sowohl numerische Methoden verwenden, als auch analytische Ansätze weiterentwickeln. Sobald die Analyse von Versetzungsnetzwerken mittels Röntgenstreuung möglich ist, werden wir systematische Studien an mit verschiedenen Methoden hergestellten Probenserien durchführen, um so zur Optimierung der Wachstumsprozesse, v.a. zur Minimierung der threading-Dichten in den aktiven Bauteilschichten, beizutragen.

Halbleiterheterostrukturen bilden die Grundlage fast aller moderner elektronischer Bauteile. Durch die Kombination verschiedener Halbleiter können "künstliche" Materialien mit wesentlich besseren Eigenschaften als die der einzelnen Substanzen hergestellt werden. Ein wichtiges Merkmal dieser Heterostrukturen ist ihre Monokristallinität, d.h., das Kristallgitter wird über Grenzflächen hinweg fortgesetzt. Da die verschiedenen Halbleiter aber nicht dieselben natürlichen Atomabstände aufweisen, kommt es an den Grenzen zu Defekten, sogenannten Versetzungen, des Kristallgitters, oft mit unerwünschten Auswirkungen auf die Materialeigenschaften. Ziel dieses Projektes war, bessere Charakterisierungsmöglichkeiten solcher Versetzungen auf der Basis von Röntgenstreuverfahren zu entwickeln, als wichtiges Werkzeug in der Weiterentwicklung von Halbleiterstrukturen mit ausreichend niedriger Defektdichte. Jede Versetzung erzeugt ein Verzerrungsfeld, das in Röntgenbeugung prinzipiell "sichtbar" ist. Die Analyse von Streudaten ist jedoch in mehrerlei Hinsicht aufwendig: Die Verzerrungsfelder können analytisch nur für pathologisch einfache Fälle wie unendlich lange, gerade Versetzungen in elastisch isotropen Medien berechnet werden. In der Praxis sind Ver-setzungen jedoch aus mehreren kurzen Abschnitten aufgebaut, die teilweise an den Grenzflächen unterschiedlicher Halbleiter entlanglaufen, teilweise aber auch durch einzelne Schichten dringen, z.B. zur Probenoberfläche hin. Die Verzerrungsfelder, die sich durch die Abfolge dieser Grenzflächenabschnitte (misfit-Teile) und der durchdringenden Abschnitte (threading-Teile) ergeben, konnten im vorliegenden Projekt durch den Einsatz numerischer Methoden berechnet werden. Konkret wurde das "Extended Finite Element Modelling" (XFEM) eingesetzt, das die Beschreibung von Diskontinuitäten durch Versetzungen erlaubt. Eine weitere Schwierigkeit bei der Analyse von Streudaten ergibt sich aus der Tatsache, daß in der untersuchten Probe nicht eine einzige, sondern üblicherweise eine bestimmte Dichte von Versetzungen vorliegt, deren Verzerrungsfelder überlagern. Daher wurden neben den Computerprogrammen zur Berechnung der Streuintensität aus den FEM-Daten auch Monte-Carlo-Schemata entwickelt, um die Streuung an statistisch verteilten Versetzungen zu berechnen. Dabei wird für eine Vielzahl im Computer per Zufallsgenerator erzeugter Ensembles das Streubild berechnet, und die Resultate aufsummiert. Für diese Vielzahl von Berechnungen war es nötig, einen sehr schnellen Code zu entwickeln, um insgesamt handhabbare Rechenzeiten zu erhalten. Dies ermöglicht nun auch Streudaten in 3D innerhalb sinnvoller Zeit zu berechnen. Die Algorithmen und Methoden wurden auf mehrere Problemstellungen angewendet: Es wurden Versetzungsnetzwerke in PbSe/PbTe- Heterostrukturen, sowie SiGe/Si Heterostrukturen, in denen Versetzungen vorzugsweise an lithografisch erzeugten Nano-Gruben nukleieren, analysiert. Außerdem wurde die Streuung an Versetzungen in SiGe Quantenpunkten und in Nanodrähten mit einem Kern aus InAs und einer Schale aus InAsP berechnet.