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Abstract (German)

Die vorliegende Arbeit behandelt im wesentlichen zwei Aspekte. Der erste Teil hat die Untersuchung struktureller und optischer Eigenschaften von Si/SiGe Multi Quantum Wells zum Gegenstand. Ziel der Arbeit war es insbesonders, den Einfluß lateraler Ge-Cluster in den SiGe Schichten sowie den Einfluß der SiGe/Si Grenzflächenrauhigkeit auf die Photolumineszenz zu untersuchen.

Um die externe Quanteneffizienz von Si/SiGe Leuchtdioden zu erhöhen, wurde als zweiter Schwerpunkt dieser Arbeit gezeigt, daß die ternäre Legierung Indium-Zinn-Oxid (ITO) für den Einsatz als Top-Kontakt bei Si/SiGe Leuchtdioden geeignet ist.

Als Meßmethoden wurden Röntgenreflektivität und -streuung, Röntgentopographie, Sekundärelektronen-Massensprektroskopie, Transmissions-Elektronenmikroskopie, Photolumineszenz- und Ramanspektroskopie angewandt. Die unterschiedlichen Charakterisierungsmethoden ergänzen sich und erlauben eine gegenseitige Überprüfung der Ergebnisse. In dieser Arbeit wurde der Effekt der Schicht- und Grenzflächenstruktur auf die optischen Lumineszenzeigenschaften im Wesentlichen in fünf Teilaspekten behandelt:

Im ersten Teil wurde die Struktur der Si/SiGe Multiquantum Wells optimiert, so daß Photo- und Elektrolumineszenz bei Raumtemperatur möglich waren. Hierbei führte eine Quantum Well Dicke von 4 nm bei einer Ge-Konzentration von 23% zu einem ausreichenden Confinement der Ladungsträger, so daß trotz einer starken, thermisch bedingten Intensitätsschwächung noch Photolumineszenz bei Raumtemperatur vorhanden war.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde gezeigt, daß entgegen jüngster Veröffentlichungen einer anderen Forschungsgruppe die Bildung von Ge-Clustern innerhalb der SiGe Legierung nicht zu einer Reduktion der Photolumineszenz führt. Vielmehr kann angenommen werden, daß Defekte und Verunreinigungen in den SiGe-Schichten zu der erwähnten Reduktion der Photolumineszenz geführt haben.

Im dritten Teil wurden mögliche Effekte von Exzitonenstreuung oder Lokalisierung durch rauhe SiGe/Si Grenzflächen untersucht. Es ergab sich ein relativ geringer Effekt von Grenzflächenrauhigkeit auf die Photolumineszenzeigenschaften. Lediglich im Falle sehr rauher Grenzflächen können Potentialfluktuationen an der Grenzfläche zu einer Lokalisierung von Excitonen und damit zu einer Verschiebung der Photolumineszenz um etwa 8 meV zu höheren Energien führen. Die relevante Längenskala hierbei ist der Exziton Bohr Radius als Grenzwert für Lokalisierungseffekte. Sind die Potentialfluktuationen an der Grenzfläche kleiner als der Exziton Bohr Radius, dann mittelt die Exciton Wellenfunktion über diese Schwankungen hinweg ohne davon beeinflußt zu werden. Im Falle sehr großer Fluktuationen in der Größenordung des Bohr Radius, für SiGe mit einer Ge-Konzentartion von 23% ca. 7-8 nm, kommt es zu einer Exzitonen Lokalisierung.

Im vierten Teil der Arbeit wurde die Defektlumineszenz in Gruppe-IV Halbleiter-Heterostrukturen behandelt. Aktuell wird die Bedeutung einer metallischen Dekoration von Versetzungen in Si Kristallen diskutiert. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß zusätzlich zur Existenz von Versetzungen auch eine Dekoration dieser Versetzungen mit einem Metall wie z.B. Eisen nötig ist, um in dieser Versetzung eine strahlende Rekombination von Ladungsträgern zu induzieren.

Im letzten Teil dieser Arbeit wurde eine Si/SiGe Leuchtdiode hergestellt. Hierbei ist zum ersten Mal die ternäre Indium-Zinn-Oxid Legierung (ITO) als ohmischer Kontakt für Si/Si1-xGeₓ Heterostrukturen benutzt worden. Ein wichtiger Schritt bestand im Aufbau einer thermischen Verdampfungsanlage für ITO in Zusammenarbeit mit der Firma MBE-Komponenten. Es konnten ITO Schichten mit einer Transparenz von ca. 90% im sichtbaren Spelktralbereich und mit ca. 60 - 80% im Bereich 1.2-1.3 μ m hergestellt werden, in dem auch die Si/SiGe Leuchtdiode ihr Emissionsmaximum hat. Solche Schichten haben einen Flächenwiderstand von ca. 2000 μ Ω cm. Aufgrund eines starken Loch-Confinements in den SiGe Schichten zeigte die Leuchtdiode Elektrolumineszenz bis Raumtemperatur. Die Leistungs-Effizienz war jedoch mit 10-9 gering. In dieser Arbeit sollte gezeigt werden, daß man auf eine relativ einfache Weise ohmsche ITO Kontakte für den Einsatz bei Leuchtdioden herstellen kann. Auf diese Weise kann man die bei Halbleiter-Leuchtdioden üblichen metallischen Kontakte mit hoher Absorption durch ITO Kontakte mit sehr geringer Absorption ersetzen. Da das Wachstum der ITO Schichten unabhängig vom zugrundeliegenden Substrat ist, eignet sich dieses Material sowohl für III-V als auch für II-VI oder IV-IV Systeme.

Abstract (English)

This thesis mainly addresses two aspects. The first part deals with the structural and optical characterisation of Si/SiGe multiple quantum wells. In particular the influence of Ge-cluster within the SiGe layers and the influence of the SiGe/Si interface roughness on photoluminescence was examined.

To increase the external quantum efficiency of Si/SiGe light emitting diodes, in the second part of this work the use of the ternary alloy Indium-Tin-Oxide (ITO) as a top-contact for Si/SiGe LEDs was demonstrated.

To this end, x-ray reflectivity, diffraction and topography, secondary electron mass spectroscopy, transmission electron microscopy, photoluminescence and Raman spectroscopy were used. The different characterisation techniques added value to each other and enabled a proof of the results in different ways. In the present work five different aspects were treated:

In the first part the design of a Si/SiGe multiple quantum well was optimised to achieve photo- and electroluminescence at room temperature. A 4 nm quantum well leads to a sufficient confinement of carriers, so that despite strong thermal quenching the luminescence was still preserved up to room temperature.

In the second part of the work it was demonstrated that, contrary to some recent controversial data of another research group , the formation of Ge clusters within the SiGe alloy did not lead to a reduction of the photoluminescence. This Hitachi research group assumed, that the formation of Ge clusters at a higher Ge segregation length in a temperature range between 400 and 650 ¡ÆC would lead to a strong reduction of the photoluminescence. This was explained by assuming that the present s-like states would be transferred into p-like states as a result of the local change in crystal symmetry, leading to a drastic reduction of dipole transitions and of the radiative recombination rate. However, within the frame of the experiments performed in this work, static displacements of even 7% of the SiGe lattice parameter within the SiGe layers, caused by Ge concentration fluctuations, did have no significant effect on the photoluminescence. Thus, we assume that defects and impurities lead to the observed damping of photoluminescence.

In the third part of the thesis possible effects of exciton scattering and localisation at rough SiGe/Si interfaces were studied. The interface roughness was found to have a rather weak effect on the photoluminescence properties. Only in the case of extremely rough interfaces interfacial potential fluctuations can localise excitons and can therefore lead to a slight shift of the photoluminescence of about 8 meV to higher energies. The relevant length scale here is the exciton Bohr radius. For lateral interfacial fluctuations smaller than the exciton Bohr radius, the excitonic wavefunction simply averages over these fluctuations without beeing affected. In the case of very large fluctuations of the order of the Bohr radius, for SiGe approximately 7-8 nm, a clear confinement effect is present in the form of a shift of the photoluminescence to higher energies with increasing power density. It would be extremely interesting for further research to have a whole series of samples with different interface roughnesses. In this way it would even be possible to determine the exact onset of the relevant length scale.

In the fourth part of this work the origin of defect-luminescence in group-IV semiconductor heterostructures was discussed briefly. Presently the significance of a metallic decoration of dislocations in Si crystals is hotly debated. In this work it was shown, that in addition to the presence of dislocations a metallic decoration such as iron is necessary to induce radiative recombination at such dislocations. To increase the external quantum efficiency of Si/SiGe LEDs, in the final part of this work a Si/SiGe light emitting diode (LED) was fabricated using the ternary alloy Indium-tin-Oxide (ITO) as the top ohmic contact for group-IV heterostructures. To our knowledge it was the first Si/SiGe LED using an ITO top contact. An important step relied on the set-up of a high-vacuum thermal evaporation chamber in cooperation with the company "MBE Komponenten". ITO films with a transparency of about 90% in the visible spectral range and with a transparency of 60-80% in the range 1.2 - 1.3 μ m were realised. This is the range of interest since here the Si/SiGe LED has its electroluminescence maximum. These films have a sheet resistance of about 2000 μ Ω cm. Due to a strong hole confinement within the SiGe quantum wells, electroluminescence was obtained up to room temperature. However, only a very low external power efficiency of 10-9 could be demonstrated. In this work it could be demonstrated, that using a simple technique ohmic contacts for the use for LEDs could be fabricated. Through this, the conventional metallic contacts with a high absorption can be replaced by ITO contacts with only weak absorption. As the growth of ITO is rather independent of the underlying substrate, it can as well be used as a transparent contact for III-V alloys.

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