Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3890
Grimm, Karsten
Supercritical Si1-xGex Alloy Layers für Optoelectronic Applications grown by Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition
II, 145 S., 2001
In dieser Arbeit wurde das Wachstum von Si1-xGex Schichten mittels APCVD bei niedrigen
Temperaturen untersucht. Bei den verwendeten Wachstumstemperaturen (500°C) sind sowohl
plastische als auch elastische Relaxationsmechanismen gehemmt. Elastische Relaxation wird
dabei durch Passivation der Oberfläche durch Wasserstoff und Chlor unterdrückt. Auf der an-
deren Seite sorgen Aktivierungsbarrieren bei der Entstehung von Fehlanpassungsversetzungen
dafür, daß plastische Relaxation erst bei Schichtdicken auftritt, die die kritische Schichtdicke
nach Matthews-Blakeslee um mehr als eine Größenordnung übertreffen. Die ermittelte kri-
tische Schichtdicke für Si0.6Ge0.4 lag bei 600Ä. Weiterhin wurde das Relaxationsverhalten der
so erzeugten überkritischen Schichten in anschließenden Anneal-Experimenten untersucht. Die
gewonnenen Erkenntnisse erlaubten die Herstellung von versetzungsfreien SiGe Inselschichten,
die sich durch eine hohe Inseldichte sowie eine schmale InseIgrößenverteilung auszeichnen. Diese
Eigenschaften spiegeln sich bei Photolumineszenzmessungen in Emissionslinien hoher Intensität
und geringer Linienbreite wider. Schließlich wurden LED Strukturen mittels Standard-CMOS-
Technologie hergestellt, die diese Inselschichten als aktiven Rekombinationsbereich besaßen.
Die in den Photolumineszenzmessungen gewonnenen Ergebnisse konnten dabei in Elektrolumi-
neszenzmessungen reproduziert werden, und die gemessene externe Quanteneffizienz im technol-
ogisch wichtigen Infrarotbereich um 1.33[my]m lag bei next = 6 X 10-3.
In this work the growth of low temperature Si1-xGex under APCVD conditions has been
investigated. At the low growth temperatures applied (500°C), both elastic and plastic relax-
ation mechanisms were found to be strongly diminished. Elastic relaxation plays no role, since
hydrogen and chlorine act as effective surfactants in this temperature regime significantly re-
ducing the surface mobilities of the deposited species. Plastic relaxation in turn occurs only at
layer thicknesses exceeding the Matthews-Blakeslee critical thickness by more than one order of
magnitude, due to high activation barriers during the formation process of misfit dislocations.
The critical thickness for Si0.6GeO.4 was determined to be 600A. The relaxation mechanisms of
these supercriticallayers were studied in post-growth anneal experiments. Here a high control of
the relaxation mechanism could be achieved facilitating the creation of coherently strained SiGe
islands with high island densities and a uniform island size distribution. PL studies of these
island layers show high emission intensities due to the high island density and small emission
line width corresponding to the narrow island size distribution. The applicability of the layers in
devices is studied in the formation of PIN LEDs using the optimized islands as active emission
region. The LEDs have been designed and processed using standard CMOS technology and
the obtained external quantum efficiency for emission in the technological important wavelength
region around 1.33µm was next = 6 x 10-3.
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