Graphen - epitaktisches Wachstum, Charakterisierung und nicht-klassische elektrische Bauelementekonzepte

Hähnlein, Bernd GND

In der vorliegenden Dissertation wurden die Schwerpunkte des Wachstums auf semi-isolierendem 6H-SiC, der Schicht- als auch der Bauelementecharakterisierung auf Basis von epitaktischem Graphen behandelt. Die Schichten wurden mittels REM, AFM, LEED, XPS und ARPES untersucht. Anhand von REM Aufnahmen wurde durch einen neuartigen Ansatz die Qualität der Schichten über die Bildentropie mit den Wachstumsparametern korreliert. Für die Bestimmung der Schichtdicke mit Hilfe von XPS wurden (a-)symmetrische Fit-Funktionen und ihr Fehler bei der Dickenbestimmung betrachtet. Der zweite Schwerpunkt befasst sich mit der Charakterisierung der hergestellten Schichten durch Raman- und FTIR-Spektroskopie. Die Einflüsse von Verspannung, Fermi-Niveau und Lagenzahl auf das Raman-Spektrum des Graphen wurden klassifiziert und quantifiziert. Uniaxiale konnte von biaxialer Dehnung anhand des Unterschieds in der G/2D-Dispersion unterschieden werden, die Asymmetrie der G-Mode wird dabei maßgeblich von uniaxialer Dehnung, der Lage des Fermi-Niveaus als auch durch Transferdotierung bei Anwesenheit von Adsorbaten beeinflusst. Zunehmende Lagenzahl verursachte eine Blauverschiebung der 2D-Mode bei zunehmender Halbwertbreite. Mittels FTIR wurden Änderung des Reststrahlenbands des SiCs in Abhängigkeit des Wachstums durch Anregung eines Oberflächenplasmon-Polaritons im Graphen untersucht. Eine Auswertemethode wurde entwickelt, um die sich im Divisionsspektrum der Reflektivitäten ausbildende Fano-Resonanz zu beschreiben. Die Intensität der resultierenden Fano-Resonanz wird dabei maßgeblich von der Verschiebung der Modell-Oszillatoren zueinander beeinflusst. Der dritte Schwerpunkt befasst sich mit der Strukturierung und Charakterisierung von vollständig aus Graphen bestehenden, Three Terminal Junctions (TTJ) und Side-Gate-Transistoren (SG-FET). Für die Vermessung kleinster Strukturbreiten anhand von REM-Aufnahmen wurden Methoden zur Schwingungskorrektur und der Breitenbestimmung nahe/unterhalb der Auflösungsgrenze des REMs hergeleitet. Es konnte gezeigt werden, dass TTJs einen Gleichrichtungseffekt mit hoher Gleichrichtungseffizienz aufweisen. Des Weiteren wurden die auftretenden Stromverstärkungseffekte untersucht. Die realisierten SG-FETs zeigen vergleichbar gute Eigenschaften wie konventionelle Top-Gate-Transistoren auf bei Minimierung parasitärer Einflüsse.

In this work, epitaxial graphene is characterized in three key aspects, on basis of the growth on semi-insulating 6H-SiC, its layer properties and the figures of merit of derived all-graphene electronic devices. The graphene layers are initially investigated by SEM, AFM, LEED, XPS and ARPES. Using SEM images, a new approach is developed to allow a quantification of the visual graphene quality through the image entropy. For an accurate determination of the layer thickness, XPS spectra are analyzed by fitting (a-)symmetric fit functions and their respective errors are discussed. The second aspect consists of the characterization of the grown layers by Raman and FTIR spectroscopy. The influences of strain, Fermi level and layer thickness on the Raman spectrum of graphene are identified and quantified. It is shown, that uniaxial strain can be differed from biaxial one through the deviation in the G/2D dispersion of the Raman modes. The asymmetry of the G mode is mainly influenced by uniaxial strain, the Fermi level as well as by transfer doping in presence of adsorbates. Increasing layer count leads to a blue shifting 2D mode with increasing line width. The fabricated graphene layers are studied with FTIR spectroscopy to investigate the changes in the reststrahl band of the SiC through the formation of a graphene surface plasmon polariton in dependency of the growth parameters. A method is developed to describe and analyze the resulting Fano resonance in the division spectra of the reflectance. The intensity of the resonance is mainly influenced by the relative shift of the two model oscillators. The third aspect addresses the structuring and characterization of electronic devices in terms of three terminal junctions (TTJ) and side gate transistors (SG-FET). For the accurate determination of smallest structure dimensions through SEM, methods for vibration correction and the measurement near/beyond the resolution limit of the SEM are derived. It is shown, that TTJs exhibit a rectification effect with high rectification efficiency. Additionally, the appearing current amplification is investigated. The realized SG-FETs show extraordinary good characteristics in comparison to conventional top gate transistors with the advantage of minimizing parasitic influences.

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Hähnlein, B., 2020. Graphen - epitaktisches Wachstum, Charakterisierung und nicht-klassische elektrische Bauelementekonzepte. Ilmenau.
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