Epitaktisches Graphen auf Siliziumkarbid(0001) als integriertes Metall-Halbleiter-System

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2016-06-27
Issue Year
2016
Authors
Hertel, Stefan
Editor
Abstract

Graphene is more than just a single sheet of carbon. For many experiments, it is the aim to preferably completely decouple the graphene sheet of interest from its substrate to examine the unique fundamental properties of intrinsic graphene. On the other hand data can only be fully understood by also looking at the immediate environment of that carbon layer, especially considering the substrate. In Epitaxial Graphene on Silicon Carbide (0001), which is examined in the thesis at hand, the semiconductor crystal is not only substrate but base material. Graphene is grown directly on top of the semiconductor by thermal decomposition. This leads to an tight union of two materials with many outstanding properties into a material system evolving its full potential only as an entity.

Core of this material system is the interface between the two main components. It's significantly involved in giving graphene's properties. By means of interface manipulation like hydrogen intercalation as used in this thesis, the doping of graphen can purposefully be controlled. We demonstrate that this goes along with changes in the electrical contact behaviour between graphene and SiC that allows novel functionality. An off axis SiC wafer with tailormade epitaxiel layers served as a testbed. Growth on tilted material was optimized in the course of this work.

Pristine graphene is n-type. Its properties are mainly fixed via a 6√3×6√3 R30° surface reconstruction at the interface electrically screening most of the SiC because of its high density of states. As the thesis shows, using n-type SiC (of various polytypes) a proper ohmic contact between graphene and SiC is formed. The contact resistances we measured are clearly competitive with conventional annealed metal contacts. In contrast to the latter ohmic behaviour is even observed for very low semiconductor doping.

Hydrogen intercalation converts the former surface reconstruction into an additional ordinary graphene layer. This significant change of the interface goes along with a transformation of charge transport into hole transport. Rectifying behaviour is observed at the graphene/SiC contact. A Schottky barrier height of approximately 1.5 eV is observed (slightly varying with polytype and doping). The effective Schottky barrier height that is the electrically relevant quantity, however, is often found to be lower by a factor of 2 due to localized regions with lower barrier height. Substrate steps can be identified as a main source of that reduction. To avoid this wafer preparation and graphene growth are trimmed to maximize the width of substrate terraces. Despite the situation gets worse at the substrate steps it enables devices residing on a atomically flat SiC substrate.

In the framework of the thesis at hand a method is developed to structure both kinds of interface side-by-side. Including the SiC as active component, monolithic transistors without the need for additional materials get enabled. As they have a working principle similar to a metal semiconductor fieldeffect transistor (MeSFET) with graphene instead of the metal, they were babtized GraSFET. In contrast to graphene-only transistors these devices come up with on/off ratios exceeding 6 orders of magnitude at room temperature. Using the special testbed wafer, working point can dynamically be adjusted by maens of a backgate. Semi-insulating SiC as source material enables robust and reproducible operation of transistors in a temperature range from -180°C up to 400°C. As on/off ratio drops below 4 orders of magnitude not before 170°C, stable operation in temperature ranges beyond those of conventional silicon technology is possible. Even without any optimization no significant deviations from dc behaviour are observed at switching frequencies of at least 1 MHz.

The overall idea of Epitaxial Graphene on SiC (0001) as an inseparable union of graphene, SiC and common interface culminates into a concept of Monolithic Epitaxial Graphene Electronics where in principal nothing else is needed for. The three main components are all understood as essential, each adding its advantages. So atomically thin, transparent, easy to modify graphene contacts are accompanied with the large bandgap of the high power semiconductor SiC. Current can flow in those two layers, manipulating the interface adjusts the transition between them. Supplementing the transistors also (Schottky-)diodes are easy to implement. Passive components (resistors, capacities, inductivities) are integrated straight on for example by appropritately shaping graphene strip lines. All subcomponents can extensively be modified by well-proven methods inaugurating even more possibilities.

The wide set of buiding blocks within the concept of monolithic epitaxial graphene electronics enables monolithic integrated circuits. High on/off ratio GraSFETs renders even digital applications at room temperature possible. Besides simple inverter circuits also NAND gates and NOR gates in simple resistor-transistor-logic are carried out. With the potential of driving several identical gates the shown devices allow for building a complete logic. As processing except wafer pretreatment is identical to common graphene processing this logic is combined seamlessly with fast analogue graphene transistors adding logic functionality.

Abstract

Graphen ist mehr als nur eine einzelne Kohlenstoffschicht. Während man auf der einen Seite versucht, die untersuchte Graphenlage möglichst vollständig vom Substrat zu entkoppeln um die einzigartigen fundamentalen Eigenschaften des intrinsischen Graphens zu untersuchen kann, man die Messdaten doch nur verstehen, wenn man die direkte Umgebung der Kohlenstoffschicht - insbesondere das Substrat - mit in Betracht zieht. Bei dem in der vorliegenden Arbeit betrachteten Epitaktischen Graphen auf Siliziumkarbid(0001) bildet der Halbleiterkristall nicht nur Substrat, sondern auch Grundstoff, das Graphen wird durch thermische Zersetzung des Halbleiters direkt auf diesen aufgewachsen. Dadurch entsteht ein enger Zusammenschluss zweier Materialien mit vielen herausragenden Eigenschaften zu einem Materialsystem, das erst in seiner Gesamtheit sein volles Potential entfaltet.

Kernstück dieses Materialsystems bildet die Grenzfläche der beiden Hauptkomponenten. Diese ist maßgeblich mitverantwortlich für die Eigenschaften des Graphens. Mittels Grenzflächenmanipulationen wie der hier verwendeten Wasserstoffinterkalation lässt sich die Dotierung des Graphens gezielt beeinflussen. Damit einhergehend ändert sich auch das elektrische Kontaktverhalten zwischen Graphen und SiC und eröffnet dadurch neue Möglichkeiten. Als Testumgebung dient ein Off-Axis-SiC-Wafer mit maßgeschneiderten Epitaxieschichten. Im Rahmen der Arbeit wurde auch das Wachstum auf verkipptem Substrat optimiert.

Direkt nach dem Wachstum ist epitaktisches Graphen elektronenleitend, die Eigenschaften werden im Wesentlichen von der 6√3×6√3 R30°-Oberflächenrekonstruktion an der Grenzfläche bestimmt, die das SiC durch eine hohe Zustandsdichte elektrisch weitestgehend abschirmt. Die Arbeit zeigt, dass sich bei der Verwendung von n-Typ SiC (verschiedener Polytypen) ein guter Ohm'scher Kontakt zwischen Graphen und Substrat ausbildet. Der Kontaktwiderstand ist zu der aktuellen Standardkontaktierung mithilfe einlegierter Metallkontakte durchaus konkurrenzfähig und im Gegensatz zu dieser selbst bei sehr geringer Dotierung des Halbleiters noch gut möglich.

Die Wasserstoffinterkalation konvertiert die Grenzflächenrekonstruktion in eine gewöhnliche zusätzliche Graphenlage. Diese starke Änderung der Grenzfläche geht mit einem Wechsel des Ladungstransports zur Löcherleitung einher. Es zeigt sich ein gleichrichtendes Verhalten des Graphen-SiC-Kontakts. Die Höhe der Schottky-Barriere liegt (je nach Polytyp und Dotierung) bei etwa 1,5 eV. Die effektive Schottky-Barriere liegt jedoch durch kleine Bereiche niedriger Barrieren oft einen Faktor 2 darunter. Als Hauptgrund für die Reduktion der Barriere können Substratstufenkanten identifiziert werden. Um das zu Umgehen, wird die Waferpräparation und das Wachstum auf möglichst breite Substratterrassen hin optimiert. Das verschlimmert zwar die Situation an der Stufenkante selbst, ermöglicht aber Bauteile auf atomar flachem SiC-Substrat.

Im Rahmen der Arbeit wird ein Verfahren entwickelt, dass es erlaubt, die beiden vorgestellten Grenzflächenvarianten strukturiert nebeneinander zu präparieren. Unter Einbeziehung des SiC als aktive Komponente lassen sich damit ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Materialien monolithische Transistoren herstellen. Diese arbeiten nach dem Prinzip des Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistors (MeSFET) und werden analog mit GraSFET betitelt. Diese Transistoren zeigen im Gegensatz zu reinen Graphentransistoren ausgezeichnetes Schaltverhalten mit einen maximalen An-Aus-Kontrast von über 6 Größenordnungen bei Raumtemperatur. Bei Verwendung des eigens angepassten Wafers lässt sich mithilfe eines zusätzliche Rückseitenkontakts der Arbeitspunkt dynamisch einstellen. Bei semiisolierenden SiC-Wafern als Ausgangsbasis ist eine stabile, reproduzierbare Funktion der Transistoren in einem Temperaturfenster von -180°C bis +400°C möglich. Dabei fällt der An-Aus-Kontrast erst bei 170°C unter 4 Größenordnungen, stabile Operation ist also in Temperaturbereichen jenseits derer siliziumbasierter Technologie möglich. Selbst ohne Optimierung zeigen die Transistoren noch bei Schaltfrequenzen von wenigstens 1 MHz keine signifikanten Abweichungen vom Gleichstromverhalten.

Aus der Grundidee, dass Epitaktisches Graphen aus SiC (0001) sich nur als untrennbare Einheit aus Graphen, SiC und gemeinsamer Grenzfläche sinnvoll betrachten und verstehen lässt, wurde ein Konzept Monolithischer Epitaktischer Graphenelektronik entwickelt, dass prinzipiell ohne zusätzliche Materialien auskommt. Dabei werden alle drei Teilkomponenten als essentielle Bestandteile verstanden, deren Vorzüge sich ergänzen. Zu den atomar dünnen, transparenten, leicht modifizierbaren Kontakten aus Graphen gesellt sich die große Bandlücke des Hochleistungshalbleiters SiC. Stromfluss kann in diesen beiden Ebenen fließen, durch Manipulation der Grenzfläche lässt sich der Übergang zwischen den Ebenen einstellen. Neben den beschriebenen Transistoren lassen sich auch (Schottky-)Dioden leicht realisieren. Passive Bauelemente (Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten) lassen sich mühelos beispielsweise durch entsprechend ausgeformte Graphenleiterbahnen integrieren. Mittels erprobter Methoden lassen sich alle Teilkomponenten umfangreich modifizieren, was noch weitere Möglichkeiten eröffnet.

Der umfangreiche Baukasten, der mit dem Konzept monolitischer epitaktischer Graphenelektronik zur Verfügung steht, ermöglicht monolithische integrierte Schaltungen. Der hohe An-Aus-Kontrast der beschriebenen GraSFETs erlaubt dabei auch digitale Anwendungen bei Raumtemperatur. Es werden neben einem einfachen Inverter auch NAND- und NOR-Gatter in einfacher Widerstands-Transistor-Logik realisiert. Die Bauteile haben jeweils das Potential, mehrere baugleiche Logikgatter zu treiben und ermöglichen damit den Aufbau einer kompletten Logik. Da die Prozessierung neben der Vorstrukturierung des SiC mit der anderer Graphenbauelemente faktisch identisch ist, lässt sich diese Logik nahtlos gemeinsam mit schnellen analogen Graphentransistoren kombinieren und kann diese um logische Funktionalitäten ergänzen.

DOI
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