GeSn Hetero-Bipolar-Fototransistoren

• Antragsteller: Dr.-Ing. Michael Oehme
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546089873

Das Ziel dieses Projektvorschlags besteht in der Entwicklung und dem Aufbau eines integrierfähigen Gruppe IV HPTs, der unter vertikaler Lichteinstrahlung eine optische Empfindlichkeit von deutlich größer 10 A/W bei 1550 nm aufweist. Um dies zu erreichen sind wissenschaftliche und materialtechnische Herausforderungen zu überwinden. Dazu gehören insbesondere die Erarbeitung einer bauelementrelevanten Datenbasis der physikalischen Eigenschaften der verwendeten Heterostrukturen für eine präzise Simulation optoelektronischer Bauelemente, eine materialtechnische Optimierung und Stabilisierung von Quantentopfstrukturen aus dem Material GeSn, das als Volumenmaterial hochgradig instabil ist, sowie die stufenweise Weiterentwicklung eines integrierfähigen Transistortyps, der eine Erhöhung des Signal-Hintergrund-Verhältnisses durch interne Verstärkung erlaubt. Die Simulation von Quanten-Bauelementen benötigt Angaben zu Bandlücke, aber auch zu deren Aufteilung in Energiesprüngen an der Valenz- bzw. Leitungsbandkante. Diese Größen sind stark abhängig vom Sn-Gehalt und der elastischen Verspannung der dünnen Schichten. Die notwendige Dotierung der Schichten führt bei hoher Konzentration zu einem Verschmelzen der Dotierniveaus mit der nahen Bandkante, ein Phänomen, das unter dem Stichwort „bandgap narrowing“ bekannt ist, bei idealisierten Simulationen aber oft vernachlässigt wird. In realen Simulationen ist der Einfluss dieses Effektes wichtig, da die Anschlüsse der eigentlichen Bauelemente zur Erzielung eines gut leitfähigen Metall- Halbleiter-Übergangs hochdotiert sind. Das Phasendiagramm von GeSn sieht im Volumen-Gleichgewicht für mehr als 1% Sn einen Zerfall in ein Gemisch aus zwei Phasen vor. Dünne GeSn Schichten auf Ge/Si konnten bis auf über 25% Sn Gehalt im Diamantgitter stabilisiert werden. Diese Schichten zeigen jedoch zwei Arten von Defekten mit Energieniveaus in der Bandlücke, die zu einem Dunkelstrom führen, der um mehrere Größenordnungen über dem idealen Dunkelstrom eines p/n-Übergangs liegen. Wir werden in diesem Vorhaben versuchen durch eine Balance der elastischen Verspannungen eine weitere Stabilisierung zu erhalten mit dem Fokus möglichst niedriger Dunkelströme. Interne Verstärkung in einer Transistorstruktur verbessert den Signal- zu Hintergrundabstand. Wir wählen als Bauelement den HPT, da dazu Vorarbeiten ermutigende Ergebnisse zeigten. Technologisch kann die Realisierung in zwei Teilabschnitten erfolgen, mit zuerst freischwimmender Basis mit Multi-Quantum-Well Absorber und dann folgend dem Anlegen einer optimalen Basisspannung. Letztere Version ist mit einem erhöhten technologischen Aufwand beim Einzeltransistor verbunden, aber deutlich integrationsfreundlicher. Die Hetero-Bipolar-Fototransistoren müssen so ausgelegt sein, dass sie auf der Silizium-Plattform integrierbar sind. Nur so können diese in einem CMOS integrierbaren Kamerasystem zum Einsatz kommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen