05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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End date: 2022Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Halbleitertechnik

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    Der Germanium-Zener-Emitter für die Silizium-Photonik
    (2020) Körner, Roman; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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    Monolithische Integration von Millimeterwellenbauelementen auf rückseitenstrukturiertem Silizium
    (2007) Hasch, Jürgen; Kasper, Erich (Prof. Dr.)
    Die vorliegende Arbeit untersucht die monolithische Integration aktiver und passiver Millimeterwellen-Komponenten auf hochohmigem Silizium in der sogenannten Silicon Millimeter Wave Integrated Circuit (SIMMWIC)-Technologie. Ziel ist es, mit Hilfe von Standard-Prozessen aus der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, ein Integrationskonzept darzustellen, mit dem sich der Hochfrequenzteil eines Radar-Sensors als monolithisch integrierte Schaltung im Millimeterwellenbereich realisieren lässt. Ein solcher Hochfrequenzteil besteht zumindest aus Sendesignalerzeugung, passiven Strukturen zur Signalverteilung, einem Antennenelement als Schnittstelle zu den elektromagnetischen Wellen im Freiraum und einer Empfängerschaltung, die typischerweise in Form eines Mischers ausgeführt wird. Der Einsatz eines solchen "Radar-ICs" als komplett monolithisch integrierte Schaltung bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber dem bisher verbreiteten Aufbau aus diskreten Komponenten. So kann durch den Wegfall diskreter Hochfrequenz-Komponenten die Anzahl der eingesetzten Bauelemente reduziert und die Baugröße des Sensors verringert werden. Durch die Integration aller Hochfrequenz-Komponenten ist außerdem eine wesentlich vereinfachte elektrische Kontaktierung möglich, da keine Hochfrequenzsignale von der Halbleiterschaltung nach außen geführt werden müssen. Dies ermöglicht auch den Einsatz einer einfachen Leiterplattentechnologie für die umgebenden Schaltungskomponenten. Durch den Einsatz einer Standard-Backend-Technologie aus der Mikroelektronik können Leiterstrukturen im Mikrometerbereich realisiert werden. Dies erlaubt die präzise Herstellung von Schaltungskomponenten mit sehr geringen Abmessungen, eine Voraussetzung für Arbeitsfrequenzen oberhalb von 100 GHz. Zusätzlich zur Strukturierung der Leiterstrukturen auf der Oberseite des Siliziumwafers, wird mit Hilfe eines Verfahrens zum anisotropen Ätzen von Silizium (dem sogenannten Bosch-Prozess) die Rückseite des Siliziumwafers selektiv rückgedünnt, damit dort partiell eine dünne Siliziummembran entsteht. Im Bereich dieser Membran können Mikrostreifenleitungsstrukturen mit sehr günstigen Hochfrequenzeigenschaften und einer Leitungsdämpfung von weniger als 0,3 dB/mm für den Frequenzbereich von 90-140 GHz realisiert werden. Diese günstigen Eigenschaften konnten durch messtechnische Untersuchung nachgewiesen werden. Ein wesentlicher Bestandteil des Integrationskonzeptes ist die Verfügbarkeit eines integrierten Antennenelements. Erst damit ist eine vollständige monolithische Integration der grundlegenden Millimeterwellenkomponenten auf der Siliziumschaltung erreicht. Dazu wurde eine Mikrostreifen-Patchantenne untersucht und charakterisiert. Trotz der hohen Permittivität von Silizium konnte gezeigt werden, dass sich ein Patch-Antennenelement auf Basis von Mikrostreifenleitungen mit einem Wirkungsgrad von mehr als 50% realisieren lässt. Die Integration aktiver Bauelemente wurde anhand einer Impatt-Diode untersucht, die mittels Molecular Beam Epitaxy direkt auf dem Siliziumwafer hergestellt wird. Mit Hilfe dieses Verfahrens können Halbleiterschichten mit einer genau definierten Schichtdicke und Dotierung erzeugt werden. Durch aufeinander folgendes Abscheiden mehrerer dotierter Halbleiterschichten und anschließendem selektiven Ätzen konnten Impatt-Dioden mit Lawinenfrequenzen von bis zu 110 GHz hergestellt und gemessen werden. Die Impatt-Dioden wurden bis 140 GHz messtechnisch in ihren Kleinsignaleigenschaften charakterisiert. Durch Parameterextraktion konnte ein einfaches Ersatzschaltbild für die Impatt-Diode bestimmt und das Hochfrequenzverhalten der Diode in Abhängigkeit vom Arbeitspunkt untersucht werden. Basierend auf einer Impatt-Diode als aktivem Element wurden Oszillatoren auf Basis von Koplanarleitungen entworfen und charakterisiert. Es konnten Oszillatoren mit einer Arbeitsfrequenz von bis zu 124 GHz bei 1dBm Ausgangsleistung realisiert werden. Die maximale Ausgangsleistung wurde für einen 104 GHz-Oszillator mit 11,4dBm erreicht. Abschließend wurde eine Transmitterschaltung entworfen und realisiert, die mikromechanisch strukturierte passive Strukturen und aktive Bauelemente in Form von Impatt-Dioden enthält.
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    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.
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    Ge(Sn) nano-island/Si heterostructure photodetectors with plasmonic antennas
    (2020) Schlykow, Viktoria; Manganelli, Costanza Lucia; Römer, Friedhard; Clausen, Caterina; Augel, Lion; Schulze, Jörg; Katzer, Jens; Schubert, Michael Andreas; Witzigmann, Bernd; Schroeder, Thomas; Capellini, Giovanni; Fischer, Inga Anita
    We report on photodetection in deep subwavelength Ge(Sn) nano-islands on Si nano-pillar substrates, in which self-aligned nano-antennas in the Al contact metal are used to enhance light absorption by means of local surface plasmon resonances. The impact of parameters such as substrate doping and device geometry on the measured responsivities are investigated and our experimental results are supported by simulations of the three-dimensional distribution of the electromagnetic fields. Comparatively high optical responsivities of about 0.1 A W-1 are observed as a consequence of the excitation of localized surface plasmons, making our nano-island photodetectors interesting for applications in which size reduction is essential.
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    Germanium-Lumineszenzdioden mit optischem Resonator für optoelektronische integrierte Schaltkreise
    (2019) Gollhofer, Martin; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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    Plasmonic gratings from highly doped Ge1-ySny films on Si
    (2021) Berkmann, Fritz; Ayasse, Markus; Schlipf, Jon; Mörz, Florian; Weißhaupt, David; Oehme, Michael; Prucnal, Slawomir; Kawaguchi, Yuma; Schwarz, Daniel; Fischer, Inga Anita; Schulze, Jörg
    Plasmonic modes in metal structures are of great interest for optical applications. While metals such as Au and Ag are highly suitable for such applications at visible wavelengths, their high Drude losses limit their usefulness at mid-infrared wavelengths. Highly n-doped Ge1-ySny alloys are interesting possible alternative materials for plasmonic applications in this wavelength range. Here, we investigate the use of highly n-doped Ge1-ySny films grown directly on Si by molecular beam epitaxy with varying Sn-content from 0% up to 7.6% for plasmonic grating structures. We compare plasma wavelengths and relaxation times obtained from electrical and optical characterization. While theoretical considerations indicate that the decreasing effective mass with increasing Sn content in Ge1-ySny films could improve performance for plasmonic applications, our optical characterization results show that the utilization of Ge1-ySny films grown directly on Si is only beneficial if material quality can be improved.
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    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.
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    Two-dimensional hole gases in SiGeSn alloys
    (2022) Oehme, Michael; Kasper, Erich; Weißhaupt, David; Sigle, Eric; Hersperger, Tim; Wanitzek, Maurice; Schwarz, Daniel
    Two-dimensional hole gases are demonstrated in modulation doped SixGe1-x-ySny quantum wells (QWs), which are embedded in Si0.2Ge0.8 barrier layers. The modulation doped QW structures are fabricated with molecular beam epitaxy on a thin (100 nm) virtual SiGe substrate on a (001) oriented Si substrate. The virtual substrate (VS) concept utilizes the Si diffusion into an as- grown thin, strain relaxed Ge layer during a following annealing step. The lateral lattice spacing of the SiGe-VS could be varied by the annealing temperature in the range between 830 °C and 860 °C. Half-hour anneal at 848 °C results in nearly strain free growth for the following Si0.2Ge0.8 barrier layer. Boron doping above an undoped 10 nm spacer on top of the 15 nm QW provides a reservoir for hole transfer from the barrier to the well. Electrical conductivity, sheet hole density ps and mobility are measured as function of temperature. In all investigated SixGe1-x-ySny channels the Hall measurements show the typical freeze out of holes outside the QW. Alloy scattering dominates the low-temperature mobility by adding Sn or Si to the Ge reference well. A linear relationship for the charge transfer from the modulation doping into the undoped SixGe1-x-ySny channel as function of the lattice mismatch between the channel material and the matrix material could be found at low-temperatures (8 K). An analytical model for this charge transfer confirms the nearly linear relationship by considering the triangular shape of the potential in modulation doped QW structures.
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    Alloy stability of Ge1-xSnx with Sn concentrations up to 17% utilizing low-temperature molecular beam epitaxy
    (2020) Schwarz, Daniel; Funk, Hannes S.; Oehme, Michael; Schulze, Jörg
    The binary alloy germanium tin has already been presented as a direct group IV semiconductor at high tin concentrations and specific strain. Therefore, it offers a promising approach for the monolithic integrated light source towards the optical on-chip communication on silicon. However, the main challenge faced by many researchers is the achievement of high tin concentrations and good crystal quality. The key issues are the lattice mismatch to silicon and germanium, as well as the limited solid solubility of tin in germanium of less than 1%. Therefore, this paper presents a systematic investigation of the epitaxial growth conditions of germanium tin with tin concentrations up to 17%. For this, we performed two growth experiments utilizing molecular beam epitaxy. In one experiment, we varied the growth temperature for the epitaxy of germanium tin with 8% tin to investigate the inter-growth temperature stability. In the second experiment, we focused on the strain-relaxation of germanium tin, depending on different tin concentrations and doping types. The results of subsequent material analysis with x-ray diffraction and scanning electron microscopy allow us to narrow the epitaxial window of germanium tin. Furthermore, we present a possible explanation for the unique relaxation mechanism of germanium tin, which is significantly different from the well-known relaxation mechanism of silicon germanium.