Siliziumcarbid-Bildung auf Silizium unter den Bedingungen der Molekularstrahlepitaxie

Scharmann, Friedhelm GND

Summary For the first time in this work the first stages of the interaction of carbon with Si(100) and Si(111) was examined comprehensively with a consistent instrument. The reconstructions, occurring during the interaction with carbon on the two Si-surfaces were examined systematically. The existence ranges of the surface reconstructions were summarized in phase diagrams. For the first time the surface diffusion coefficient of the carbon could be determined experimentally during the formation of the carbon induced Si(111)square root 3-C- and the Si(100) c(4x4)-C-reconstruction. With a detailed model of the nucleation with classical approaches, both the size of the critical nucleus for the SiC-formation on the two Si surfaces as also the kind of the further growth of the SiC-nuclei for the different parameters could be described. Here it could be distinguished between the mononuclear and the polynuclear growth. In dependence on the growth type, coherences are given to the nucleus size, to the density and for the morphology of the nuclei. Furthermore the existence range of the two-dimensional and three dimensional nucleation for the field of low temperatures could be determined. The knowledge of the nucleation is an essential technological condition for following applications. In principle, the two-dimensional SiC-nucleation is suitable for the production of antidot-structures, that are only difficult to make with lithographic methods. In the nanotechnology there is also a possible utilisation for the three-dimensional SiC-growth. Nanocathodes could be manufactured with 3D-SiC-seeds. In addition the control of the initial stages during the interaction of carbon is necessary for the formation of a nearly perfect and flat interface and monocrystalline growth. With an optimised SiC-initial growth on Si, SiC-layer can be produced, which are suitable as a pseudosubstrate for a GaN- deposition. With that the basis is given for the integration of wideband semiconductors for the electrooptics onto Si. The SiC-layer is used directly as an active layer for specific applications in the sensor technology. The great advantage of these devices is the possible integration into the Si-electronics. For the evaluation and simulation of diffraction pictures, which are based on electron diffraction the mean inner potential (MIP) must be known. Therefore the MIP for silicon and for 6H-SiC was determined experimentally and compared with theoretical values. Besides of the examination of RHEED-pictures a determination of the structure was carried out by corresponding simulations. The structure of the carbon induced reconstructions on silicon is still not currently known. Therefore, different structure models were verified with RHEED. The S5 - positioning of the carbon for the Si(111) square root 3 - C reconstruction supplied the best agreement to the experimental RHEED picture. For the Si(100) c(4x4)-C- reconstruction with carbon in exposed position - in the form of C dimmers, a good agreement between experiment and simulation was achieved. For the controlled deposit of SiC-layers in nanotechnology, the knowledge of the sphere of influence of the polarity of the RHEED-investigations is necessary. With RHEED simulations the connection between the skin depth of the electron beam and the determinability of the polarity by means of RHEED picture can be shown. In principle the different electronic structures of the individual SiC-polytype allow the creation of chemically uniform hetero- and low dimensional structures. This could be used for the evolution of novel quantum devices by utilization of differently large bandgaps. This implies a in situ operation of the growth and the identification of the SiC-polytype. For this purpose, the RHEED-diffraction pictures of the SiC-polytype both for the case of the three-dimensional as also the two-dimensional diffraction were examined. For the first time, in the case of two-dimensional diffraction, the possibility of the detection of the hexagonal polytype 4 H- and of the 6H-SiC in could be verified by means of simulation.

In dieser Arbeit wurden erstmalig umfassend die ersten Stadien der Wechselwirkung des Kohlenstoffs mit Si(100) und Si(111) mit einem einheitlichen Instrumentarium untersucht. Die während der Interaktion mit Kohlenstoff auf den beiden Si-Oberflächen auftretenden Rekonstruktionen wurden systematisch untersucht. In Phasendiagrammen sind die Existenzgebiete der Oberflächenrekonstruktionen zusammengefaßt worden. Der Oberflächendiffusionskoeffizient des Kohlenstoffs konnte erstmalig während der Ausbildung der Kohlenstoff induzierten Si(111)Wurzel 3-C- und der Si(100) c(4x4)-C-Rekonstruktion experimentell ermittelt werden. Mit einem detailierten Modell der Keimbildung mit klassischen Ansätzen, konnte sowohl die Größe des kritischen Keimes für die SiC-Bildung auf den beiden Si-Oberflächen als auch die Art des weiteren Wachstums der SiC-Keime für den Parameterraum beschrieben werden. Es konnte hier zwischen dem mononuklearen und dem polynuklearen Wachstum unterschieden werden. In Abhängigkeit von dem Wachstumstyp ergaben sich Zusammenhänge zur Keimgröße, zur Keimdichte und zur Morphologie der Keime. Desweiteren konnte der Existenzbereich der zweidimensionalen und der dreidimensionalen Keimbildung für den Bereich niedriger Temperaturen bestimmt werden. Die Kenntnis der Keimbildung ist eine wesentliche technologische Voraussetzung für folgende Anwendungen: Die zweidimensionale SiC-Keimbildung ist prinzipiell für die Herstellung von Antidot-Strukturen geeignet, die mit lithographischen Methoden nur schwer zu erzeugen sind. Für das dreidimensionale SiC-Wachstum liegt in der Nanotechnologie ebenfalls eine mögliche Verwendung vor. Mit 3D-SiC-Keimen könnten Nanokathoden hergestellt werden. Die Beherrschung der Initialstadien bei der Wechselwirkung von Kohlenstoff ist außerdem notwendig für die Ausbildung defektarmer Grenzflächen und einkristallinem Wachstum. Mit einem otimierten SiC-Initialwachstum auf Si lassen sich SiC-Schichten herstellen, die als Pseudosubstrat für eine GaN-Abscheidung geeignet sind. Damit ist die Basis geschaffen für die Integration von Breitbandhalbleitern für die Optoelektronik auf Si. Für spezielle Anwendungen in der Sensorik wird die SiC-Schicht direkt als aktive Schicht benutzt. Der große Vorteil bei diesen Bauelementen ist die mögliche Integration in die Si-Elektronik. Für die Auswertung und Simulation von Beugungsbildern, die auf Elektronenbeugung basieren, muß das mittlere innere Potential (MIP) bekannt sein. Das MIP für Silizium und für 6H-SiC wurde daher experimentell bestimmt und mit theoretischen Werten verglichen. Neben der experimentellen Auswertung von RHEED-Bildern wurde durch entsprechende Simulationen eine Strukturaufklärung durchgeführt. Die Struktur der kohlenstoffinduzierten Rekonstruktionen auf Silizium ist derzeit noch nicht bekannt. Es wurden daher unterschiedliche Strukturmodelle mit RHEED verifiziert. Bei der Si(111) Wurzel 3 - C-Rekonstruktion lieferte die S5 - Positionierung des Kohlenstoffs die beste Übereinstimmung zu dem experimentellen RHEED-Bild. Für die Si(100) c(4x4)-C-Rekonstruktion ist mit Kohlenstoff in exponierter Lage, in Form von C-Dimeren, eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation erreicht worden. Für die kontrollierte Abscheidung von SiC-Schichten in der Nanotechnologie ist die Kenntnis des Einflußbereiches der Polarität auf die RHEED-Untersuchungen notwendig. Mit RHEED-Simulationen konnte der Zusammenhang zwischen der Eindringtiefe des Elektronenstrahles und der Bestimmbarkeit der Polarität mittels RHEED-Bild aufgezeigt werden. Die unterschiedlichen elektronischen Strukturen der einzelnen SiC-Polytype ermöglichen prinzipiell die Schaffung von chemisch homogenen Hetero- und niedrigdimensionalen Strukturen. Dies könnte für die Entwicklung von neuartigen Quantenbauelementen, unter Ausnutzung von unterschiedlich großen Bandabständen, genutzt werden. Dies setzt die in situ Steuerung des Wachstums und die Detektierbarkeit der SiC-Polytype voraus. Zu diesem Zweck wurden die RHEED-Beungungsbilder der SiC-Polytype sowohl für den Fall der dreidimensionalen- als auch der zweidimensionalen Beugung untersucht. Bei der zweidimensionalen Beugung konnte erstmalig die Möglichkeit der Detektion der hexagonalen Polytype 4H- und 6H-SiC mittels Simulation nachgewiesen werden.

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Scharmann, Friedhelm: Siliziumcarbid-Bildung auf Silizium unter den Bedingungen der Molekularstrahlepitaxie. 2003.

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