| License: Publishing license for publications excluding print on demand (152MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-312808
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.31280
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Series of the University of Regensburg: | Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg |
| Volume: | 45 |
| Date: | 29 April 2015 |
| Referee: | Prof. Dr. Dominique Bougeard and Prof. Dr. Dieter Weiss and Prof. Dr. Milena Grifoni and Prof. Dr. Karsten Rincke |
| Date of exam: | 30 January 2015 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Dominique Bougeard |
| Keywords: | Si/SiGe, field-effect, polarizability of neutral donors, dielectric constants of Si and Ge, MBE, leakage currents, disorder, charge reconfigurations, magnetotransport |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 31280 |
Abstract (English)
2D-confined carrier systems have given access to the exploration of manifold quantum effects in fundamental research and also led to numerous device concepts for commercial electronic applications. Additionally, the possibility to control the 2D carrier density via gate voltages through the electric field-effect offers a great advantage of external manipulation of the system. With the ...
Abstract (English)
2D-confined carrier systems have given access to the exploration of manifold quantum effects in fundamental research and also led to numerous device concepts for commercial electronic applications. Additionally, the possibility to control the 2D carrier density via gate voltages through the electric field-effect offers a great advantage of external manipulation of the system. With the optimization of lithography on a nanometre scale, gated 2D systems in semiconductor heterostructures are currently intensively studied as platforms for few to single-carrier devices. In this context, a precise control of the heterostructure layout including the doping, as well as an understanding of charge reconfiguration effects within the device, the latter of which induces for example electrical charge noise in the device, are important challenges.
This thesis, addresses the heterostructure optimization and focuses on a precise field-effect control of Schottky top-gated modulation doped Si/SiGe heterostructures. The Si/SiGe material system is thereby particularly interesting not only because of its industrial relevance but also offers great potential for the implementation of spin quantum bits for quantum information processing (QIP) applications in electrically manipulated few-electron devices.
For the optimization of the heterostructure design, several parameters which affect the strain, the band offset and the doping degree in Si/SiGe two-dimensional electron systems have to be precisely controlled. Therefore, we used an unrotated epitaxy process to efficiently exploit different gradients which arise due to the cell geometry in the molecular beam epitaxy (MBE) system. Based on these gradients, we are able to investigate samples with different material compositions, relaxation degrees and doping degrees on one single wafer. To start our analysis, we used an X-ray diffraction (XRD) reciprocal space mapping technique (RSM) to determine different gradients, regarding the effective germanium (Ge) content, the degree of relaxation R and the phosphorous (P) doping degree for both LT-Si and graded buffer grown wafers. Additionally, we have shown the long term stability and the universal applicability of these gradients, independent of the material composition and the phosphorous volume doping concentration. Combining these findings with numerical band structure simulations finally allows us to determine the best suited charge carrier density range in the ungated region of an LT-Si based Si/SiGe two-dimensional electron system (2DES) in order to achieve high mobilities in the future. Furthermore, we extracted the optimal parameters with respect to the interplay of the P volume doping and the effective Ge content gradients for varying SiGe compositions across the wafer.
In parallel, we explicitly studied the field-effect influence on Si/SiGe heterostructures to identify the origin of disorder and possible sources of charge noise. In this connection, we mainly used the charge carrier density n as a sensing variable to acquire important information about device limiting factors. At first, we established experimental methods to precisely characterize the 2DES. Interestingly, we detected for the first time a strong connection of the phosphorous doping degree and the measured capacitive coupling C between Schottky top-gate and 2DES. We developed a modified charge transfer model including a polarizability of neutral phosphorous atoms inside the doping layer which in combination with numerical band structure simulations, based on experimentally obtained input parameters, resulted in a quantitative method to fit the measured data accurately. Beginning with these insights, statements about the dielectric constants of MBE grown Si and Ge were made. Experiments on the dynamics of the charge reconfigurations support this model.
As a final aspect of our study, leakage currents, which are also device limiting processes, were studied in more detail. Based on the previous experiments, we already noticed that even for relatively low positive gate voltages the phosphorous doping layer gets persistently occupied with electrons. Starting with this assumption, we utilized leakage current measurements to extract further informations on our heterostructures. Using this simplification allows us to apply several leakage current models to our Si/SiGe heterostructures which are based on a tunnelling event through a triangular barrier. As a result, the effective Schottky barrier height, possible trap energies as well as trap concentrations could be detected. These data finally allowed us to link the observed trap energies with the ones of the phosphorous atoms in Si (45meV). This observation additionally strengthens the theory that the phosphorous modulation doping layer is mainly responsible for charge fluctuations in these gated Si/SiGe heterostructures.
Translation of the abstract (German)
Zweidimensional (2D) eingeschlossene Ladungsträgersysteme haben in der Grundlagenforschung einen Zugang für die Erforschung von vielfältigen Quanten-Effekten geschaffen und zudem zu zahlreichen Bauteilkonzepten für kommerzielle elektronische Anwendungen geführt. Zusätzlich bietet die Möglichkeit die zweidimensionale Ladungsträgerdichte mit Hilfe von Gatterspannungen über den Feldeffekt zu ...
Translation of the abstract (German)
Zweidimensional (2D) eingeschlossene Ladungsträgersysteme haben in der Grundlagenforschung einen Zugang für die Erforschung von vielfältigen Quanten-Effekten geschaffen und zudem zu zahlreichen Bauteilkonzepten für kommerzielle elektronische Anwendungen geführt. Zusätzlich bietet die Möglichkeit die zweidimensionale Ladungsträgerdichte mit Hilfe von Gatterspannungen über den Feldeffekt zu kontrollieren einen großen Vorteil für die externe Manipulation des Systems. Durch eine Optimierung der Lithographie auf einer Nanometerskala werden gegenwärtig mit Gatter versehene 2D Systeme in Halbleiterheterostrukturen intensiv hinsichtlich ihrer Tauglichkeit für Wenig- bis Einzel-Ladungsträgerbauteile untersucht. In diesem Zusammenhang sind eine präzise Kontrolle der Heterostrukturanordnung inklusive der Dotierung, genauso wie ein Grundverständnis von Umladungseffekten innerhalb des Bauteils, welche zum Beispiel elektrisches Rauschen verursachen, wichtige Herausforderungen.
Diese Arbeit befasst sich mit der Heterostrukturoptimierung und richtet dabei das Hauptaugenmerk auf eine präzise Feldeffekt Kontrolle von Schottky Oberflächengatter gesteuerten modulationsdotierten Si/SiGe zweidimensionalen Elektronensystemen (2DES). Das Si/SiGe Materialsystem ist nicht nur wegen seiner industriellen Bedeutung besonders interessant, sondern bietet auch ein riesiges Potential für die Umsetzung von Spin Quanten Bits für Quanteninformationsverarbeitungsanwendungen in elektrisch manipulierten Wenig-Elektronenbauteilen.
Für die Optimierung des Heterostrukturdesigns müssen mehrere Parameter, welche die Verspannung, den Bandoffset, und die Dotierung in zweidimensionalen Elektronensystemen (2DESs) beeinflussen, präzise kontrolliert werden. Aus diesem Grund wurde ein unrotierter Wachstumsprozess angewendet, um unterschiedliche Gradienten, welche aufgrund der Zellgeometrie in der Molekularstrahlepitaxieanlage (MBE) entstehen, effizient auszunutzen. Mit Hilfe dieser Gradienten konnten schließlich Proben mit unterschiedlicher Materialzusammensetzung sowie unterschiedlichem Relaxations- und Dotiergrad auf einem einzigen Wafer untersucht werden. Zu Beginn unserer Analyse wurde sowohl für "LT-Si" als auch "graded buffer" Proben eine Röntgenbeugungs- (XRD) "reciprocal space mapping" (RSM) Technik verwendet, um die unterschiedlichen Gradienten hinsichtlich effektivem Germaniumgehalt, Relaxationsgrad R und Phosphordotiergrad zu bestimmen. Zusätzlich konnte die Langzeitstabilität und die universelle Anwendbarkeit dieser Gradienten unabhängig von der Materialzusammensetzung und der Phosphorvolumendotierkonzentration gezeigt werden. Eine Kombination dieser Erkenntnisse mit numerischen Bandstruktursimulationen erlaubte es schließlich die am besten geeignete Ladungsträgerdichteregion im Gatter freien Bereich eines LT-Si basierten zweidimensionalen Elektronensystems zu bestimmen damit zukünftig möglichst hohe Beweglichkeiten erreicht werden können. Des Weiteren wurden die optimalen Parameter hinsichtlich des Zusammenspiels des Phosphorvolumendotier- und des effektiven Germaniumgehalt-Gradienten für variierende SiGe Zusammensetzungen über den Wafer hinweg extrahiert.
Gleichzeitig wurde der Feldeffekt Einfluss auf unsere Si/SiGe Heterostrukturen zur Identifizierung des Ursprungs von Unordnung und möglichem Ladungsrauschen präzise untersucht. In diesem Zusammenhang wurde hauptsächlich die Ladungsträgerdichte n als sensorische Variable benutzt, um wichtige Informationen über Bauteil limitierende Faktoren zu erlangen. Zu Beginn wurden daher experimentelle Methoden zur exakten Charakterisierung des 2DES entwickelt. Interessanterweise konnte zum ersten Mal ein starker Zusammenhang von Phosphordotiergrad und gemessener Kapazitiver Kopplung C zwischen Oberflächengatter und 2DES festgestellt werden. Aus diesem Grund entwickelten wir ein erweitertes Ladungstransfermodell, welches eine Polarisierbarkeit von neutralen Phosphoratomen innerhalb der Dotierschicht mit einschließt. Dies führte in Kombination mit numerischen Bandstruktursimulationen, welche auf experimentell ermittelten Eingabeparametern basieren, zu einer quantitativen Methode die es ermöglicht die gemessenen Daten genau anzufitten. Ausgehend von diesen Erkenntnissen konnten schließlich Aussagen über die Dielektrizitätskonstanten von epitaktisch gewachsenem Silizium (Si) und Germanium (Ge) getroffen werden. Experimente hinsichtlich der Dynamik der Umladeprozesse unterstützen dieses Modell.
In einem abschließenden Aspekt unserer Studie wurden Leckströme, welche ebenfalls eine Einschränkung der Bauteile nach sich ziehen, genauer untersucht. Aufgrund unserer vorherigen Experimente konnten wir bereits feststellen, dass sogar für vergleichsweise geringe positive Gatterspannungen die Phosphordotierschicht anhaltend mit Elektronen besetzt wird. Ausgehend von dieser Annahme wurden die Leckstrommessungen dazu verwendet, um wichtige Informationen bezüglich unserer Heterostrukturen zu erhalten. Diese Vereinfachung erlaubte uns schließlich mehrere bekannte Leckstrommodelle, welche auf einem Tunnelprozess durch eine Dreiecksbarriere basieren, auf unsere Si/SiGe Heterostrukturen anzuwenden. Dadurch konnten die effektive Schottkybarrierenhöhe, mögliche Haftstellenenergien und Haftstellenkonzentrationen ermittelt werden. Diese Daten ermöglichten uns schlussendlich die erhaltenen Haftstellenergien mit denjenigen von Phosphoratomen in Silizium (45meV) in Verbindung zu bringen. Diese Beobachtung bekräftigt zusätzlich die Theorie, dass die Phosphormodulationsdotierschicht hauptsächlich für Ladungsfluktuationen in mittels Gatter gesteuerten Si/SiGe Heterostrukturen verantwortlich ist.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 00:28
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