05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung unverspannter Silizium-Germanium-Zinn-Legierungen auf virtuellem Germanium-Substrat(2022) Schwarz, Daniel; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Item Open Access Germanium-Zinn Molekularstrahlepitaxie zur Herstellung von L-Band Photodioden(2013) Werner, Jens; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil)Die wichtigsten Lichtwellenlängen für Telekommunikationssysteme sind momentan 1310 nm und 1550 nm. Dies liegt vor allem an der geringen Dämpfung, der zurzeit verwendeten Glasfasermaterialien, bei diesen Wellenlängen. Um moderne Multiplexverfahren (wie z.B. dem Dichte-Wellenlängen-Multiplex-Verfahren (DWDM)) verwenden zu können werden vor allem Betriebswellenlängen zwischen 1530 nm und 1625 nm, den sogenannten C- und L-Bändern, benötigt. Die dann eingesetzten optoelektronischen Bauelemente müssen ihren Arbeitsbereich ebenfalls in diesen Wellenlängenbereichen haben. Damit Halbleiterbauelemente kostengünstig hergestellt und ebenso für On-Chip Kommunikation eingesetzt werden können, ist eine Realisierung dieser Bauteile auf Silizium notwendig. Silizium ist das Rückgrat der CMOS-Technologie, was vor allem an den Materialkosten und der Verfügbarkeit des Grundmaterials liegt. Somit ist es sinnvoll, dass zukünftige optoelektronische Bauelemente vollständig siliziumkompatibel sind. Das Problem bei der Verwendung von Silizium ist, dass Silizium aufgrund seiner Bandlücke zwar vor allem im Bereich von ultravioletten und nahem Infrarot (~1000 nm) Licht empfindlich ist, jedoch für Wellenlängen von > 1100 nm transparent ist. Eine Ausweitung der optischen Empfindlichkeit kann durch Beimischungen von hohen Anteilen an Germanium (> 90 %) erreicht werden. So konnte vor allem in den letzten Jahrzehnten, durch eine ständig steigende Qualität von Silizium-Germanium-Heterostrukturen, Photosensoren hergestellt werden für den wichtigen Lichtwellenlängenbereich von 1310 nm und 1550 nm. Der Vorteil an Germanium ist dabei, dass es auf Silizium vollständig integrierbar ist. Jedoch ist auch die optische Empfindlichkeit von Germanium bei 1550 nm nicht besonders hoch. Erste Berechnungen in den frühen 90ern Jahren zeigten, dass durch eine Beimischung von Zinn, die optische Empfindlichkeit von Germanium bei 1550 nm erheblich erhöht werden kann und es zudem zu einer Verschiebung der optischen Empfindlichkeit zu größeren Wellenlängen > 1550 nm kommt. Die wesentlichen Probleme bei der Herstellung von Germanium-Zinn-Legierungen sind unter anderem die sehr hohe Gitterfehlpassung von 14,7% zwischen Germanium und Alpha-Zinn, die hohen Segregationseigenschaften von Zinn, sowie die geringe Löslichkeit (<1%) von Zinn in Germanium. Hier setzt diese Arbeit an und soll mögliche Lösungsvarianten für die Herstellung von Germanium-Zinn Legierungen durch das Vorstellen von verschiedenen Wachstumskonzepten, basierend auf dem Verfahren der Molekularstrahlepitaxie, geben. Ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit ist die Untersuchung von Germanium-Zinn-Legierungen mit Zinnanteilen von bis zu 2,7 %, die mittels eines Tieftemperaturschritts hergestellt wurden. Es wird gezeigt, dass durch das Wachstum bei einer Substrattemperatur von TSub = 85°C die Herstellung von Germanium-Zinn-Legierungen mit homogenem Zinneinbau gelingt. Dabei wurden die hergestellten Schichten sowohl in Hinblick auf die Segregationseigenschaften von Zinn und dem Verspannungszustand der Germanium-Zinn-Schicht untersucht. Aus den experimentellen µ-Ramanspektroskopie-Daten wurde eine Auswertemethode basierend auf der Verschiebung des Ge-Ge-Signals bezüglich des Verspannungszustands und des Zinn-Anteils entwickelt. Damit steht nun eine schnelle, quantitative und nicht zerstörende Untersuchungsmethode für die Germanium-Zinn-Legierungen zur Verfügung. Der Verspannungszustand der Germanium-Zinn-Schichten wird unter anderem durch die Qualität der eingesetzten virtuellen Germanium-Substrate bestimmt. In Untersuchungen der Temperaturstabilität von Germanium-Zinn-Schichten konnte gezeigt werden, dass mit Zinn-Ausscheidungen in Germanium-Zinn-Schichten erst ab einer Temperatur von > 650°C zu rechnen ist. Die Germanium-Zinn-Dioden zeigen die zu erwartende theoretische Verschiebung der optischen Empfindlichkeit zu größeren Wellenlängen und eine Erhöhung der optischen Empfindlichkeit bei 1550 nm im Vergleich zu einer gewöhnlichen Germanium-Diode. Der Vorteil der hergestellten Dioden ist, dass diese nicht nur als Sensor eingesetzt werden können, sondern ebenfalls als Emitter. Dabei strahlt die Diode ebenfalls vermehrt Licht aus im Bereich > 1550 nm als eine vergleichbare Germaniumdiode. Durch den zusätzlichen Aspekt, dass sich bei einem Zinngehalt von ungefähr 6-7 % der indirekte Halbleiter von Germanium zu einem direkten Germanium-Zinn-Halbleiter wandelt, scheint die Herstellung von zukünftigen Silizium basierten Germanium-Zinn-Lasern durchaus möglich. In dieser Arbeit konnte neben neuen Wachstumsmethoden für Germanium-Zinn-Legierungen auch das große Potential von Germanium-Zinn für die Realisierung von optoelektronischen Bauelementen in den Wellenlängenbändern C und L gezeigt werden.Item Open Access Germanium-Lumineszenzdioden mit optischem Resonator für optoelektronische integrierte Schaltkreise(2019) Gollhofer, Martin; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Item Open Access Realization of silicon-based monolithic E-band IMPATT-transmitter and Schottky-receiver for wireless applications(2019) Zhang, Wogong; Schulze, Jörg (Prof. Dr.)In dieser Dissertation ist die Realisierbarkeit eines hochperformanten, integrierten E-Band-IMPATT-Sender- und Schottky-Empfängermoduls in SIMMWIC-Technologie (SIMMWIC, engl. für Silicon mm-Wave Integrated Circuit) mit einer Chipfläche 4 mm2 erfolgreich demonstriert. Im Vergleich zur Silizium-basierten RF-CMOS- bzw. BiCMOS-Technologie (BiCMOS, engl. für Bipolar Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) könnte somit die SIMMWIC-Technologie eine kostengünstigere Alternative für moderne, hochperformante Drahtlosekommunikationsanwendungen darstellen.Item Open Access Germanium-Photodetektoren mit Doppel-Hetero-Übergängen für die optische Übertragung auf einem Silizium-Chip(2014) Kaschel, Mathias; Schulze, Jörg (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von Germanium-Photodetektoren für die optische Übertragung auf einem Silizium-Chip besprochen. Die Detektoren besitzen eine p-i-n-Struktur mit zwei Hetero-Übergängen. Da die RC-Zeitkonstante die Geschwindigkeit der Detektoren beschränkt, werden die Kapazität und der Serienwiderstand optimiert. Zusammen mit der Trennungsgeschwindigkeit der generierten Ladungsträger beschreibt die RC-Zeitkonstante die elektro-optische Übertragungsgeschwindigkeit. Die Bauteilschichten werden mit der Molekularstrahlepitaxie bei tiefen Temperaturen in einem fortlaufenden Prozess abgeschieden, der eine gute Dickenkontrolle, kleine Defektdichte und scharfe Dotierprofile erlaubt. Für das nahezu defektfreie Wachstum der Germanium-Schichten auf Silizium-Substraten wird ein virtuelles Substrat entwickelt. Die Photodetektoren werden mit zwei Ätzschritten des Doppel-Mesa-Prozesses hergestellt. Die Entwicklung des virtuellen Substrates und die Einführung der Hetero-Übergänge verbessern die elektro-optischen Eigenschaften der Germanium-Detektoren. Dazu kann die direkte Bandkante von Germanium durch die Beimischung von Zinn oder eine Zugverspannung in der Absorptionsschicht zu kleineren Energien verschoben werden. Die 3dB-Grenzfrequenz beträgt 39 GHz bei 0 V und 49 GHz bei -2 V angelegter Spannung. Mit dem beobachteten Franz-Keldysh-Effekt können Absorptionsmodulatoren hergestellt werden. Ein Prozess für den Wellenleiter-Detektor mit evaneszenter Kopplung an den Wellenleiter wird mit einem Ätzschritt und differentieller Molekularstrahlepitaxie entwickelt. Zum Abschluss wird kurz der integrierte Germanium-Emitter vorgestellt, der an der direkten Bandkante von Germanium ein Maximum im Elektrolumineszenz-Spektrum aufweist.Item Open Access Layout automation in analog IC design with formalized and nonformalized expert knowledge(2018) Marolt, Daniel; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Item Open Access Vertical Ge/SiGeSn-based p-channel nano field-effect transistors integrated on Si(2020) Elogail, Yasmine; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)In this work, the fabrication and the electrical characterization of the germanium-based vertical p-channel planar-doped barrier field-effect transistor is investigated for the first time. Setting and adjusting the device design parameters and performing experimental iterations, the fabrication process was achieved successfully. Further enhancement of the device performance was accomplished through analysing the electrical characterization and introducing amendments to the fabrication process. Concurrently, a study of Ge/oxide interface was performed by introducing several surface treatments prior to gate oxide deposition and using capacitance voltage characterization to evaluate the resulting interface quality. The surface treatments were first applied to germanium-based metal-oxide-semiconductor capacitor structures that are integrated on silicon as well. Surface treatments included conventional and non-conventional treatment methods in addition to combinations of both. Subsequently, some of the best results were used in the transistor device fabrication to prove the validity of the results of this study. The results obtained for germanium-based planar-doped barrier field-effect transistor devices integrated on silicon are optimistic, using relatively large sized devices with a simple manufacturing process, which are competitive in electrostatic performance to more complicated and aggressively scaled devices from literature. Fabricated devices show the potential for energy efficient systems by achieving sufficiently low off currents. Furthermore, leakage current sources are studied through low temperature measurements and applying the studied surface treatment for additional possible progress. Low temperature measurements showed the potential of the superior device performance and competent subthreshold swing to literature, supported by simulation analysis of reduced effective oxide thickness. A comparison is demonstrated between this work and other similar channel length devices from literature that are defect free to elaborate the excellent possible performance of the devices in this work. Along with the fabrication and characterization of the devices, a simulation model based on extracted material data from the experimental work and literature is produced. Based on the model, a proposed design of a modified device using both planar doping and a heterostructure in the channel is then presented. The channel-engineered design uses a lattice-matched germanium/silicon-germanium-tin heterostructure within the channel that can be introduced at different positions. The results show improved performance by virtue of the larger energy band gap of the ternary alloy compared to germanium, leading to suppression of the leakage currents as well as a reduced subthreshold swing, making the heterostructure device promising for ultra-low power device applications.Item Open Access Herstellung, Charakterisierung und Simulation von Germanium-p-Kanal-Tunneltransistoren(2019) Hähnel, Daniel; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Im Rahmen der Arbeit wird eine Einordnung gegeben, inwiefern der TFET in der heutigen Skalierung der Mikroprozessoren eine Alternative zum konventionellen MOSFET-Aufbau darstellen kann. Im Speziellen wurde der Germanium-p-Kanal-Tunneltransistor experimentell über die Prozessentwicklung eines GAA-Aufbaus (komplett umgebende Gate-Elektrode, engl. Gate-All-Around-Structure) realisiert und über die physikalische Modellierung des Schaltverhaltens betrachtet.Item Open Access Spininjektion und Spintransport in Germanium(2020) Bechler, Stefan; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Die dominante Technologie zur Herstellung von Logikbauelementen ist die Si-basierte komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Technologie. Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und eines absehbaren Endes des Mooreschen Gesetzes sind „Beyond-CMOS“-Konzepte als mögliche Nachfolger der klassischen Miniaturisierung der CMOS-Bauelemente immer stärker im Fokus. Spintronische Logik-Bauelemente gelten dabei aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten als aussichtsreiche Kandidaten der „Beyond-CMOS“-Konzepte. Bei den meisten spintronischen Bauelementen, wie dem Spin-Feldeffekttransistor (Spin-FET) oder dem Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Spin-MOSFET), sind die Spininjektion, der Spintransport, die Spinmanipulation sowie die Spindetektion von spinpolarisierten Ladungsträgern die grundlegenden Mechanismen, die es zu optimieren gilt. Diese Arbeit befasst sich mit der Spininjektion und dem Spintransport in hochdotierten Ge-Kanälen mit ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakten. Hierzu wird das Wachstum von Ge auf Si(111)-Substraten untersucht und ein Herstellungsprozess von 3-Terminal- und 4-Terminal-Strukturen für den Nachweis von Spininjektion mit einer Hanle- und Spin-Ventil-Messung entwickelt. Für die zur elektrischen Spininjektion benötigten ferromagnetischen Kontakte wird ein CMOS-kompatibler Herstellungsprozess von Mn5Ge3 entwickelt. Durch Hanle-Messungen an den hergestellten Strukturen wird der Nachweis der Spininjektion in n-Ge und p-Ge erbracht. Zur Optimierung der Spindiffusionslänge, welche von der Beweglichkeit des Materials abhängt, werden die Hochbeweglichkeitskanäle von modulationsdotierten Feldeffekttransistor-Strukturen (MODFET-Strukturen) untersucht. Zur Untersuchung des Einflusses von Mn5Ge3 auf die elektrischen Eigenschaften von Bauelementen sowie für den optischen Nachweis von Spininjektion werden Ge p i n Dioden mit Mn5Ge3-Kontakten hergestellt und ihre Eignung als Spin-Photodioden und Spin-Leuchtdioden evaluiert. Im Detail wird folgendes in der Arbeit gezeigt: Das Wachstum von undotiertem sowie n-Typ und p-Typ dotiertem Ge auf Si(111) erfolgt mit der Molekularstrahlepitaxie und zeigt qualitativ hochwertige Schichten mit einer geringen Defektdichte NDefekt < 1·107 Defekte/cm2. Die 3-Terminal- und 4-Terminal-Strukturen werden durch reaktives Ionenätzen in Form einer Mesa strukturiert, mit SiO2 passiviert und das aufgedampfte Mn und Al mit einem Lift-Off-Prozess strukturiert. Durch einen schnellen Temperprozess entsteht durch eine Germanidierung des aufgedampften Mn und der darunterliegenden Ge-Schicht das ferromagnetische Mn5Ge3 in polykristalliner Form. Dabei zeigt sich eine atomar glatte Grenzfläche zwischen Ge und Mn5Ge3. Magnetisierungsmessungen zeigen, dass die thermische Umwandlung zu Mn5Ge3 sowohl für intrinsische, hoch p-dotierte als auch hoch n-dotierte Ge-Schichten (NA = 1·1020 cm−3, ND = 1·1020 cm−3) funktioniert. Die spezifischen Kontaktwiderstände sind dabei mit ρc < 1·10−6 Ωcm2 sehr niedrig. Es wird gezeigt, dass die Integration des Germanidierungsprozesses von Mn5Ge3 in einen CMOS-Herstellungsprozess denkbar ist. Zur Überprüfung, ob mit dem so hergestellten Mn5Ge-Kontakt Spininjektion in Ge möglich ist, werden Hanle-Messungen zunächst an 3-Terminal-Strukturen durchgeführt. Der Nachweis der Spininjektion kann dabei für n-dotiertes Ge mit einem Tunnelkontakt mit Al2O3/Mn5Ge3 bis zu einer TemperaturTProbe = 11 K erbracht werden. Die Spinlebensdauer beträgt dabei τs = 25 ps bei TProbe = 1,5 K, die Diffusionslänge λspin = 306 nm. Bei den n- und p-dotierten Proben mit Mn5Ge3 zeigen sich aufgrund der Polykristallinität der Mn5Ge3-Schicht Domäneneffekte und verhindern durch die Überlagerung des Hanle-Signals eine sinnvolle Extraktion der Spinlebensdauer. Für einen validen Nachweis der Spininjektion werden Hanle- und Spin-Ventil-Messungen an einer 4-Terminal-Struktur durchgeführt. Mit einer 4-Terminal-Struktur mit Mn5Ge3-Kontakten und einem p-dotiertem Ge- Kanal kann die Spininjektion bis zu einer Temperatur TProbe = 40 K gezeigt werden. Dabei zeigen die Messungen ein Hanle-Signal für beide Orientierungen des Magnetfelds. Dieses Verhalten kann mit den Domäneneffekten der Mn5Ge3-Schicht begründet werden. Die aus dem Hanle-Signal extrahierte Spinlebensdauer beträgt τs = 4 ps bei TProbe = 5 K, die Spindiffusionslänge λspin = 70 nm und die Polarisation PGe = 1,3 %. Die Hanle-Messungen an der 4-Terminal-Struktur zeigen, dass durch die CMOS-kompatible Herstellung des Mn5Ge3 Spinjektion in p-Ge möglich ist. Für den Nachweis der Spininjektion bei höheren Temperaturen gilt es die Spininjektion und den Spintransport zu optimieren. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Spindiffusionslänge besteht darin, MODFET-Strukturen mit hoher Beweglichkeit im Kanalgebiet zu verwenden. Hierzu werden SiGe-MODFET-Strukturen auf Si(111)-Substraten untersucht. Im Vergleich zu einer MODFET-Struktur auf Si(100) mit hoher Beweglichkeit zeigen die hergestellten Strukturen auf Si(111)-Substraten eine geringere Beweglichkeit. Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt, dass oberhalb des Si Kanalgebiets ein parasitärer Kanal vorliegt und so verhindert, dass die Elektronen in den Si-Kanal gelangen können. Dies wiederum erklärt, warum es nicht zu der erwarteten hohen Beweglichkeit der MODFET-Struktur kommt. Zur Überprüfung des Einflusses von Mn5Ge3 auf das elektrische Verhalten von Halbleiterbauelementen werden Ge p i n Dioden mit Mn5Ge3 hergestellt und untersucht. Die hergestellten Dioden zeigen, dass sich Mn5Ge3 als Kontaktmaterial für Dioden eignet und im Vergleich zu Al einen sehr geringen Kontaktwiderstand zu n-Ge bildet. Die Dioden sind optisch aktiv und können für Untersuchungen der optischen Spininjektion als Spin-Photodioden und Spin-Leuchtdioden verwendet werden. Mit der Arbeit ist somit gezeigt, dass sich Mn5Ge3 als ferromagnetischer Kontakt für Ge-basierte spintronische Halbleiterbauelemente eignet und Ge in Kombination mit Mn5Ge3 großes Potential zur Realisierung von Spin-FETs bzw. Spin-MOSFETs von bietet.Item Open Access Experimental studies on germanium-tin p-channel tunneling field effect transistors(2017) Rolseth, Erlend Granbo; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)Recent years have shown a growing interest in device concepts based on quantum mechanical tunneling. The tunneling field effect transistor (TFET) is a device that competes directly with the metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) in terms of speed, power and area. The drive current injection mechanism in TFETs is a band-to-band tunneling (BTBT) current and the promise of the TFET lies in its steep subtreshold current-voltage (I-V) characteristics, which is not restricted by the MOSFET’s 60 mV/dec limit at room temperature. TFETs could perform better at low supply voltages, but improvement of the drive current is necessary to outperform the MOSFET. In this work different device tuning strategies for the p-channel germanium (Ge) TFET are studied. Modifications involving the semiconductor material and doping profiles are investigated with the aim of increasing the tunneling probability and achieving high drive currents. This investigation has been conducted through designing, fabricating and characterizing the vertical TFET structures. Vertical semiconductor structures were grown by means of molecular beam epitaxy (MBE), and the vertical devices were fabricated using a gate-all-around (GAA) geometry fabrication process. It is shown that the drive current (ION) can be effectively increased by the introduction of germanium-tin (GeSn) in the channel. A successive increase in ION is seen when increasing the tin (Sn)-content, x, in a germanium-tin (Ge1-xSnx) channel from x = 0 % to x = 2 % and x = 4 %. This is due to the lowering of the bandgap, which effectively increases the tunneling probability. Furthermore, it is found that when Ge0.96Sn0.04 is confined within a 10 nm delta-layer, TFET device performance can be tuned by shifting the position of this layer at the source-channel interface. A high ION is achieved when this layer is completely inside the channel, while the leakage current (IOFF) is reduced when this layer is shifted from the channel and into the source. A complicating factor with incorporating Ge1-xSnx in the p-channel Ge TFETs is found to be the difficulty of maintaining a high epitaxial quality when increasing the Sn content. Together with the lowering of the bandgap, this is shown to degrade the IOFF and subthreshold swing (SS) of the device through increased Shockley-Read-Hall (SRH) generation and trap-assisted tunneling (TAT) currents. This further calls into question the feasibility of achieving acceptable performance with GeSn as channel material. Based on the results, some device performance strategies are discussed. Varying the source doping concentration in p-channel Ge TFETs with gate-source overlap is found to mainly influence the subthreshold characteristics of the devices. Steeper subthreshold characteristics is found with increasing source doping concentration. This correlation is believed to be a result of TAT in the source-gate overlap region. Contrary to results from published simulation studies, no effect of varying the source doping concentration on ION could be distinguished for the doping levels investigated. A MBE pre-buildup technique of antimony (Sb) is investigated as a means to achieve steep source doping profiles in vertical p-channel Ge TFETs. It is seen that for a Sb pre-buildup concentration of 1/20 monolayer (ML), both ION and SS is improved. This is explained by that the extent of the tunneling barrier into the source region is reduced, leading to an increase of the tunneling probability and improvement of the band pass filtering. The boost in ION is small, but the pre-buildup technique imposes no extra load onto the TFET fabrication process and can easily be combined with other strategies for boosting the drive current for TFETs. The results also suggests that an optimal pre-buildup doping exists. In this work also the aluminum oxide (Al2O3), which is used as gate oxide, and the Ge/Al2O3/Al system is studied. A germanium oxide (GeOx)-passivation achieved through post-plasma oxidation and a sulfur (S)-passivation achieved through an aqueous Ammonium sulfite solution treatment, are both investigated through the fabrication and electrical characterization of MOS-capacitors. For the sample passivated with GeOx, a hysteresis and a shift in the flatband voltage is explained by acceptor traps in the oxide. A general parallel shift of the capacitance-voltage (C-V)-curve towards positive gate voltages indicates fixed negative charges and an O-rich Al2O3. It is suggested that these O-rich regions could be induced by the post plasma oxidation treatment. Temperature dependent current-voltage (I-V)-characteristics indicate a Schottky emission process as the main transport mechanism through the oxide at low electric fields. The effect of S-passivation of the Ge surface is seen to reduce both the C-V hysteresis and the leakage current in the low E-field region. The measured oxide capacitances also reveal that this does not come at the expense of a thicker equivalent oxide thickness (EOT).