05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik

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Start date: 2020Subject: search.filters.subject.621.3Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Halbleitertechnik

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    Sharp MIR plasmonic modes in gratings made of heavily doped pulsed laser-melted Ge1-xSnx
    (2023) Berkmann, Fritz; Steuer, Oliver; Ganss, Fabian; Prucnal, Slawomir; Schwarz, Daniel; Fischer, Inga Anita; Schulze, Jörg
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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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    Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen
    (2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
    Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.
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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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    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.
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    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.
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    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.
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    Band-gap and strain engineering in GeSn alloys using post-growth pulsed laser melting
    (2022) Steuer, Oliver; Schwarz, Daniel; Oehme, Michael; Schulze, Jörg; Mączko, Herbert; Kudrawiec, Robert; Fischer, Inga A.; Heller, René; Hübner, René; Khan, Muhammad Moazzam; Georgiev, Yordan M.; Zhou, Shengqiang; Helm, Manfred; Prucnal, Slawomir
    The pseudomorphic growth of Ge1-xSnx on Ge causes in-plane compressive strain, which degrades the superior properties of the Ge1-xSnx alloys. Therefore, efficient strain engineering is required. In this article, we present strain and band-gap engineering in Ge1-xSnx alloys grown on Ge a virtual substrate using post-growth nanosecond pulsed laser melting (PLM). Micro-Raman and x-ray diffraction (XRD) show that the initial in-plane compressive strain is removed. Moreover, for PLM energy densities higher than 0.5 J cm-2, the Ge0.89Sn0.11 layer becomes tensile strained. Simultaneously, as revealed by Rutherford Backscattering spectrometry, cross-sectional transmission electron microscopy investigations and XRD the crystalline quality and Sn-distribution in PLM-treated Ge0.89Sn0.11 layers are only slightly affected. Additionally, the change of the band structure after PLM is confirmed by low-temperature photoreflectance measurements. The presented results prove that post-growth ns-range PLM is an effective way for band-gap and strain engineering in highly-mismatched alloys.
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    Photonic-plasmonic mode coupling in nanopillar Ge-on-Si PIN photodiodes
    (2021) Augel, Lion; Schlipf, Jon; Bullert, Sergej; Bürzele, Sebastian; Schulze, Jörg; Fischer, Inga A.
    Incorporating group IV photonic nanostructures within active top-illuminated photonic devices often requires light-transmissive contact schemes. In this context, plasmonic nanoapertures in metallic films can not only be realized using CMOS compatible metals and processes, they can also serve to influence the wavelength-dependent device responsivities. Here, we investigate crescent-shaped nanoapertures in close proximity to Ge-on-Si PIN nanopillar photodetectors both in simulation and experiment. In our geometries, the absorption within the devices is mainly shaped by the absorption characteristics of the vertical semiconductor nanopillar structures (leaky waveguide modes). The plasmonic resonances can be used to influence how incident light couples into the leaky modes within the nanopillars. Our results can serve as a starting point to selectively tune our device geometries for applications in spectroscopy or refractive index sensing.