III-V Nanostrukturen in Silizium

Die Leistungsfähigkeit von Si-basierten Transistoren befindet sich durch die fortschreitende Miniaturisierung und die  Stressor-Technologie bereits an den physikalischen Grenzen. Eine Möglichkeit, diese Grenzen zu überwinden, ist die Integration verschiedener optoelektronischer Funktionseinheiten auf einem Chip. Weiterhin kann die Leistungsaufnahme von Mikroprozessoren signifikant reduziert werden, wenn die Chipkommunikation auf photonischer statt elektronischer Basis erfolgt. Als Material für den Transistorkanal besitzen  III-V-Verbindungshalbleiter ein hohes Potential für High-Speed- und Low-Power-Anwendungen. Offen ist noch die Frage, mit welcher Technologie III-V-Halbleiter in Silizium integriert werden.

Wir arbeiten an der Realisierung einer kompakten, CMOS-kompatiblen und voll integrierten Lösung für die Nutzung von III-V-Halbleitern innerhalb der Si-Technologie für optoelektronische Anwendungen. Die III-V-Nanostrukturen  (InAs, GaAs or InP) werden entweder in Silizium oder in SOI-Wafern  mit einer Kombination von Ionenimplantation und Blitzlampenausheilung (FLA) synthetisiert.

Herstellung von III-V Nanostrukturen

Fig. 1. Schematische Übersicht über die Integration von III-V-Verbindungshalbleitern in SOI-Wafern und SEM-Aufnahme von implantierten, ausgeheilten und geätzten Strukturen mit InAs Quantendots.

Auf Basis einer sequentiellen Implantation, einer anschließenden FLA Ausheilung im Millisekundenbereich und selektivem Ätzen wurden Heteroübergänge hoher Güte erzeugt, die aus einkristallinen InAs oder InP Quantendots sowie einem Si-Finger bestehen (Fig. 1).

IU-Kurven von n-InAs/p-Si und n-InP/p-Si Nanostrukturen

Fig. 2. IU-Kurve eines n-InAs/p-Si (a) und n-InP/Si (b) Heteroüberganges bei Raumtemperatur in halblogarithmischer Darstellung. (c) zeigt die offene Grenzspannung unter Beleuchtung für eine  nanoskopische n-InP/p-Si Solarzelle. Die Insets zu (a) zeigen die Topographie (a) und das Stromverhalten der Probe für Elektroneninjektion in Rückwärts- (b) und Vorwärtsrichtung (c) des  n-InP/p-Si Systems. Gemessen wurde mittels C-AFM.

SOI-Strukturen gehören zu den am besten untersuchten Materialsystemen für leistungsstarke Bauelemente und integrierte Schaltkreise. SOI-Wafer mit einer 90 nm dicken Schicht p-Typ Silizium und einer 140 nm dicken SiO2-Schicht wurden mit In und As bzw. In und P implantiert, um die  InAs / InP Quantendots zu erhalten. Die Daten der µ-Raman-Spektroskopie belegen direkt die Ausbildung der kristallinen III-V-Nanostrukturen mit (111)-Ausrichtung auf dem SOI-Wafer.

µ-Raman-Spektren von III-V Nanostrukturen auf SOI

Abb. 3. µ-Raman-Spektren von kristallinen III-V-Nanostrukturen aus InAs (a) und InP (b). Die Insets (a) und (b) zeigen eine TEM-Querschnittsaufnahme einzelner InAs Quantendots bzw. eine SEM-Aufnahme von InP Quantendots mit gut definierten InP-Gräben.

   

AFM Topographie von InAs Quantendots

Abb. 4. AFM-Topographie von mit In- und As-implantierten, ausgeheilten und selektiv geätzten Strukturen. Die Implantationsfläche betrug 200×200 nm2 (a), 500×500 nm2 (b), 2000×100 nm2 (c) und 2000×400 nm2 (d). (e) und (f) zeigen die mittels µ-Auger-Spektroskopie gemessene räumliche In Verteilung bzw. die SEM-Aufnahme eines InAs Quantendots.