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.

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 (Fig. 1) wurden Heteroübergänge hoher Güte erzeugt, die aus einkristallinen InAs oder InP Quantendots sowie einem Si-Finger bestehen (Fig. 2).

Fig. 2. IU-Kurve eines n-InAs/p-Si Heteroüberganges bei Raumtemperatur in halblogarithmischer Darstellung (a). Das Inset zeigt die Topographie der Oberfläche. Die Struktur eines derartigen Heteroüberganges ist auf der HRTEM Aufnahme in (b) dargestellt.

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 (Fig. 3) belegen direkt die Ausbildung der kristallinen III-V-Nanostrukturen mit (111)-Ausrichtung auf dem SOI-Wafer. Die Nutzung einer mittels Elektronenstrahllithographie strukturierten Deckschicht erlaubt zudem die Bildung von Quantendots an definierten Positionen (Fig. 4). Schließlich erlaubt diese Technik die Herstellung eines derartigen Heteroüberganges in einem Nanodraht (Fig. 5).

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.

   

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.

Fig. 5: Si Nanodraht mit einem InAs Segment. Der Nanodraht wurde mit dem VLS-Mechanismus (vapor-liguid-solid growth mechanismus) hergestellt.