Hybride III/V Nano ridge gebaseerde systemen: Onderzoek naar defecten en hun impact op de functionaliteit

Halfgeleiders gemaakt van III-V materialen worden gebruikt in veel toepassingen, waaronder opto-elektronica, communicatiesystemen en fotovoltaïsche apparaten. Om een kost effectieve integratie van III-V en CMOS-circuits mogelijk te maken, is een hybride III-V/CMOS technologie noodzakelijk. Eén van de aanpakken die dit kan bereiken betreft de monolithische integratie van III-V materialen op 300 mm Si wafers met CMOS door middel van NR technologie. Deze hybride technieken gebruiken heteroepitaxie, welke van nature defecten introduceert in de gemaakte apparaten. Omdat deze defecten een significante invloed uitoefenen op de elektro-optische eigenschappen van de apparaten, is het van groot belang om de brede waaier aan natuurkundige eigenschappen die mogelijks de degradatie van deze apparaten onderliggen beter te begrijpen.

Dit proefstuk handelt daarom over een uitgebreid onderzoek naar zulke defecten met behulp van natuurkundige en elektrische meettechnieken. De vergaarde kennis verklaart onder andere de waargenomen elektrische eigenschappen van GaAs en InGaAs nano-kam diodes. Verder werd er een werkwijze ontwikkeld om de ladingsdensiteit en de bulk valkuilen te extraheren vanuit het DLTS-spectrum, om zo de defecten in III-V NR diodes te kunnen opmeten. Uit observaties blijkt dat III-V NR diodes veel defecten vertonen, waaronder punt defecten, doorlopende dislocaties en oppervlakte niveaus. Uit de studie van de oorsprong van deze defecten en hun impact op de onderliggende mechanismes van de lekstroom, blijkt dat punt defecten toegewezen kunnen worden aan een samenstel van As antisite of een As interstitiële en substitutionele O(As) met energieniveaus van respectievelijk 0.8 ± 0.03 eV en 0.53 ± 0.03 eV. Voor apparaten met een lagere hoogte/breedte verhouding (<2) wordt er een ander type defect dominant dat overeen kan komen met doorlopende dislocaties. Bovendien werd het energieniveau van de oppervlakte niveaus bepaald op be 0.4 ± 0.03 eV voor NR-gebaseerde apparaten. Dit laatste valt toe te schrijven aan de loshangende atomaire verbindingen gecreëerd door Ga-leegtes op het oppervlak of additionele onzuiverheden. We voorspellen dat, gebaseerd op de experimenteel bepaalde activatie energie van 0.1eV < Eact < Eg/2, de lekstroom voor NR-apparaten gedomineerd wordt door de valkuil-geassisteerde doorboring component. Deze correlatie werd bevestigd door een TCAD-simulatie model, welke gekalibreerd werd met experimenteel gemeten stroom-voltage en capaciteitvoltage gegevens. Bovendien werd de contactweerstand van verscheidene III-V lagen (p,n,-GaAs, p,n-InGaAs, p-GaAsSb) opgemeten om deze weerstand te verbeteren, en bijgevolg de elektrische werking van de op hun NR-gebaseerde apparaten. We rapporteren verder ook de afhankelijkheid van de contactweerstand op de fractie indium aanwezig in de laag InGaAs.

De resultaten in werk over defecten, lekstromen en contactweerstand analyse leggen de basis voor het begrijpen van NR-gebaseerde diodes en hun elektrische werking, gegeven de hoeveelheid defecten in de lagen van het apparaat. Dit is erg nuttig bij de ontwikkeling van efficiënte en kost-effectieve hybride III-V/Si apparaten voor toekomstige applicaties.