Wafer-scale fabrication and characterization of monolithic Al-Ge heterostructures

Abstract

Germanium (Ge) with its high carrier mobility and CMOS compatibility offers great potential for performance improvements of integrated circuits (ICs) beyond continuous miniaturization. Strong spin-orbit coupling and quantum confinement effects make Ge particularly interesting for the exploration of quantum effects. Aluminum-Germanium (Al-Ge) heterostructures based on vapor-liquid-solid (VLS) grown nanowires (NWs) have provided excellent results in quantum ballistic, photonic and plasmonic experiments over the last years. This may lead to the development of a broad spectrum of novel devices. However, integration of VLS grown NWs in a large scale proves to be difficult. In this thesis an approach for a wafer-scaled fabrication of monolithic Al-Ge-Al heterostructures is presented. Ge structures are patterned on Germanium-on-insulator (GeOI) substrates using lithographic techniques and reactive ion etching. Al-Ge heterostructure formation is achieved by a thermally induced exchange reaction of predefined Ge structures and Al contact pads. Ultra-short Ge channels can be formed between self-aligned Al contacts beyond lithographic limitations. This top-down fabrication technique allows the well ordered integration of large arrays of nanoscaled devices with precisely defined dimensions.Crystallographic analyses reveal high purity and crystallinity of the Al-Ge heterostructures with almost atomically sharp interfaces. Studies of structures with different cross sections and various geometries show that the thermal Al-Ge exchange process is neither limited to geometric constraints nor to certain orientations. The conductivity of the annealed heterostructures is significantly increased due to improved contact properties of the abrupt metal semiconductor junction. Integration of such heterostructures in field effect transistors (FETs) demonstrates modulation capabilities of the drain current over several orders of magnitude. Repetitive annealing cycles enable the fabrication of ultrascaled devices with Ge channel lengths below the mean free path enabling ballistic transport in top-down fabricated Al-Ge-Al heterostructures. Further, selective chemical etching is used to further reduce the cross-section of the Ge segments as well as short Ge channels within suspended Al nanobeams are demonstrated.

Germanium (Ge) bietet mit seiner hohen Ladungsträgerbeweglichkeit und CMOS-Kompatibilität großes Potenzial für die Leistungssteigerung von integrierten Schaltungen (ICs). Starke Spin-Orbit Kopplung und Quanten-Confinement machen Ge besonders für die Erforschung von Quanteneffekten attraktiv. Aluminium-Germanium (Al-Ge) Heterostrukturen auf Basis von vapor-liquid-solid (VLS) gewachsenen Nanodrähten haben in den letzten Jahren hervorragende Ergebnisse in quantenballistischen, photonischen und plasmonischen Experimenten geliefert. Das kann zur Entwicklung eines breiten Spektrums von neuartigen Bauelementen führen. Allerdings erweist sich die Integration von gewachsenen Nanodrähten in großem Maßstab als schwierig. In dieser Diplomarbeit wird eine Methode zur Herstellung von monolithischen Al-Ge-Al Heterostrukturen auf Waferebene vorgestellt. Ge-Strukturen werden auf Germanium-on-Insulator (GeOI) Substraten mittels lithographischer Techniken und reaktivem Ionenätzen definiert. Die Bildung von Al-Ge Heterostrukturen wird durch eine thermisch induzierte Austauschreaktion von vordefinierten Ge-Strukturen und Al-Kontaktpads erreicht. Ultrakurze Ge-Kanäle zwischen selbstausgerichteten Al-Kontakten können so jenseits lithographischer Grenzen hergestellt werden. Durch den Top-Down-Fertigungsprozess wird eine geordnete Integration einer großer Anzahl von nanoskalierten Bauelementen mit präzise definierbaren Abmessungen ermöglicht. Kristallographische Analysen zeigen die hohe Reinheit und gute kristalline Beschaffenheit der Al-Ge Heterostrukturen mit nahezu atomar scharfen Grenzflächen. Untersuchungen von Strukturen mit unterschiedlichen Querschnitten und Geometrien zeigen, dass der thermische Al-Ge Austauschprozess nicht auf bestimmte Geometrien oder Kristallorientierungen beschränkt ist. Die Leitfähigkeit der ausgetauschten Heterostrukturen ist aufgrund der verbesserten Kontakteigenschaften des abrupten Metall-Halbleiter Übergangs deutlich erhöht. Die Integration dieser Heterostrukturen in Feldeffekttransistoren (FETs) zeigt, dass der Drainstrom über mehrere Größenordnungen moduliert werden kann. Wiederholtes thermisches Annealen ermöglicht die Herstellung von Bauelementen mit ultraskalierten Ge-Kanallängen, worin ballistischen Ladungsträgertransport beobachtet werden kann. Des Weiteren wird selektives chemisches Ätzen eingesetzt, um den Querschnitt der Ge-Segmente weiter zu reduzieren, sowie kurze Ge-Segmente innerhalb freistehender Al-Nanobalken gezeigt.