Germanium-Zinn Molekularstrahlepitaxie zur Herstellung von L-Band Photodioden

Abstract

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.

The most important wavelengths for telecommunication systems are currently 1310 nm and 1550 nm, which is due to the fact that the currently used materials for optical fibres exhibit a low absorption at these wavelengths. For modern multiplexing method (e.g. the density-wavelength-division-multiplexing (DWDM)) operating wavelength of 1530 nm and 1625 nm, the so called C- and L-bands, are necessary. Therefore optoelectronic devices have to operate at these wavelengths, too. For an inexpensively production of these devices it is necessary to implement the devices on silicon. The problem of using silicon for optoelectronic device is, that silicon has a high absorption in the range of ultraviolet (UV) and near infrared (NIR), but from a wavelength of 1.1 µm silicon gets transparent because of the silicon-bandgap. An extension of the optical responsivity can be achieved by using SiGe alloys (with high Ge content >90% or pure Ge). Thereby it is possible to fabricate e.g. Si/Ge photosensors fully integrated on Si for the most important wavelengths (1.31 µm and 1.55 µm) for communications systems. Meanwhile high-speed vertical incidence Ge pin-photodetectors monolithically integrated on Si for the telecommunications wavelength (1.55 µm) were realized with a 3-dB bandwidth of 49 GHz. However the optical responsivity of Ge is also not very high in this wavelength regime. An increase of the absorption for these wavelengths can be achieved by adding tin to germanium. One epitaxial problem for the fabrication of germanium-tin-heterostructures is the huge lattice mismatch between alpha-tin (a0 = 0.64892 nm) and germanium (a0 = 0.56579 nm) of 14.7%. Moreover, the low solubility (< 1 %) of tin in germanium is a serious problem for producing germanium-tin-alloys. In this work different Molecular-Beam-Epitaxy (MBE) growth concepts are introduced for the realisation of mono-crystalline germanium-tin-alloys. An essential part of this work is the study of germanium-tin alloys with tin contents of up to 2.7 %, which were prepared with a low-temperature growth-step. The produced germanium-tin samples were investigated with regard to their strain and the segregation effect of tin. An evaluation method based on the shift of the Ge-Ge-Peak signal of µ-Raman-results is introduced for the strain and tin content of germanium-tin alloys. Investigations of the temperature-stability of germanium-tin-Layers show that tin precipitations can be expected from temperatures above 650 °C. So during the device fabrication process-temperatures should be limited to 650 °C. The germanium-tin diodes show the theoretical expected shift of the optical sensitivity to longer wavelengths, and an increase of the optical sensitivity at 1550 nm as compared to an ordinary germanium diode. Dark currents and photocurrents are investigated for reverse biased and forward biased diodes. The dark current of the 80 µm diameter photodetector with a tin content of 1,1 % is 2 mA at a reverse bias of 1 V. At the telecommunication wavelength of 1.55 µm the optical responsivity is increased by a factor of 3. Under reverse bias the typical constant photocurrent is observed. In addition the responsivity at 1.55 µm of the device reported in this work is Ropt=100 mA/W. Another useful aspect for the produced diode is, that it is possible to use it as a detector and light emitter. So the germanium-tin-diodes emit light in the range > 1550 nm. By the fact that the germanium-tin alloy with a tin content > 6 – 7 % becomes a direct semiconductor, it will be possible to realise germanium-tin-laser for the C- and L-band fully integrated on Silicon in the future.