Auf Si-Nanotips selektiv gewachsene III-V/Graphen Strukturen: Untersuchung der Korrelation zwischen den strukturellen und opto-elektronischen Eigenschaften

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Privatdozentin Dr. Fariba Hatami; Oliver Skibitzki, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428250328

Die monolithische Integration von III-V-Halbleitern mit ihren exzellenten optischen und elektrischen Eigenschaften auf Silizium ist eine herausfordernde und elegante Strategie, um die III-V-opto-elektronische Komponenten in der CMOS-Technologie auf Siliziumbasis zu integrieren. Dabei besteht die Herausforderung darin, das Problem der Kristalldefekte zu überwinden, die durch die großen Unterschiede in den Gitterkonstanten, den thermischen Eigenschaften und den unterschiedlichen Kristallstrukturen verursacht werden. Von einem alternativen Epitaxie-Ansatz für selektives Wachstum von III-V-Halbleitern auf strukturierten Si-Nanostrukturen wurde berichtet, der diese Herausforderungen zu überwinden und die Kristalldefekte zu minimieren vermag; die sogenannte Nanoheteroepitaxie. Hierbei erfolgt die Epitaxie auf speziell entwickelten Silizium-Strukturen, die von mehreren Mikrometern bis zu einigen zehn Nanometern reichen. Dieser Ansatz reduziert den plastischen Spannungsabbau, indem die Spannungsenergie zwischen III-V-Schicht und den darunter liegenden Si-Strukturen aufgeteilt wird, ermöglicht eine bessere Kontrolle der Position der III-V-Quantenstrukturen und unterdrückt die Kontamination-Segregation. Es ist das Ziel dieses Projekts, das epitaktische Wachstum von auf GaxIn1-xP basierenden Quanten- Heterostrukturen auf strukturierten Si-Substraten zu untersuchen und das Verfahren im Hinblick auf integrierte opto-elektronische Komponenten, vor allem Leuchtdioden, zu optimieren. Der Schwerpunkt liegt vor allem bei der materialwissenschaftlichen Fragestellung zu Wachstumskinetiken, Defekt-Mechanismen und optischen Eigenschaften von III-V Material auf Si-Nanostrukturen sowie dem Einfluss von Verspannungsmodifikation auf den Compliance-Effekt der Nanoheteroepitaxie. Um einen breiten Bereich zur Anpassung von Verspannung und an opto-elektronischen Eigenschaften des III-V-Materials abdecken zu können, wachsen wir GaxIn1-xP Pufferschichten auf Si Nanospitzen (GaxIn1-xP/Si Gitterfehlanpassung zwischen 0.3% und 8% und Bandlücke zwischen 1,3 und 2,3 eV) und verwenden Verspannungs-angepasste Quantenpunkte, eingebettet in einer Pufferschicht, als aktive Elektronen-Loch-Rekombinationskanäle. Für die elektrische Kontaktierung von III-V Quantenstrukturen sollen Graphen-Schichten verwendet werden, die neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit eine exzellente optische Durchlässigkeit besitzen. Der Ladungsträgertransfer und die Grenzschischichteigenschaften zwischen Graphen und III-V sollen gründlich untersucht werden. Der Zusammenhang zwischen Wachstum, Defektbildung und opto-elektronischen Eigenschaften von Strukturen wird mit strukturellen, analytischen, elektrischen und optischen Techniken wie TEM, AFM, hochauflösender Röntgenbeugung inklusive Nanobeugung mit Synchrotronstrahlung, Hall und I-V Spektroskopie, Mikro-Raman, Photo- und Elektroluminszenzspektroskopie untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: China, Frankreich
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Christian Wenger
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gang Niu; Dr. Tobias Schülli