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Struktur und optoelektronische Eigenschaften von siliziumreichen SiO2- und Si3N4- Schichten für MOS- und Wellenleiterstrukturen

Structure and optoelectronic properties of silicon-rich SiO2 and Si3N4 layers for MOS and waveguide structures

  • Die dielektrischen Materialien SiO2 und Si3N4 eignen sich als Isolator Schichten in Transistoren und als Matrix Material für seltene Erden (z.B. Erbium) und kommen deshalb in Silizium-basierenden Lichtemittern (MOSLED) zum Einsatz. Sie weisen besonders geringe Verluste von 0,1 dB/cm bis 1 dB/cm im Bereich des sichtbaren (VIS) bis infraroten (IR) Lichtes auf und finden daher Verwendung in Wellenleiter-basierenden photonischen Systemen. Der Trend zur Anwendung siliziumreicher Si3N4 (SiNX/SRN) und SiO2 Schichten (SiOX/SRO) liegt vor allem in der Steigerung der optischen Effizienz Er3+-dotierter MOSLEDs im Telekommunikationsbereich (1535 nm) und in der Erhöhung der Integrationsdichte der Si-basierenden Optik. Eine kostengünstige Umsetzung wird über die Herstellung mittels plasmagestützter Gasphasenabscheidung (PECVD) ermöglicht, die sich problemlos in CMOS-Halbleiterprozessabläufe integrieren lässt. Diese Arbeit befasst sich zum einen mit der Herstellung als auch Charakterisierung siliziumreicher SiO2 und Si3N4 Systeme und zum anderen mit der Entwicklung Abscheideraten-kontrollierter SiO2 Schichten mittels PECVD. Die Struktureigenschaften werden anschließend über Fourier Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), elastischer Rückstreudetektionsanalyse (ERDA), Ellipsometrie sowie Transmissionsmessungen charakterisiert. Die optoelektronischen Eigenschaften wurden an MOSLEDs, basierend auf einem ITO/SiOX/SiNX:Er3+/Si-System, bei dem die lumineszierende Schicht aus SiNx:Er3+ besteht, untersucht. Die Einflüsse der Schichtstöchiometrien auf die Lichtemitter werden sowohl über I(V) (Strom-Spannung) als auch über I_CC Messungen (Konstant-Strom) mit gleichzeitiger Erfassung der optischen Leistung sowie des Elektrolumineszenz Spektrums analysiert. Neben dem Einsatz in MOSLEDs werden die siliziumreichen Schichten in optischen Wellenleitern genutzt, wo ihre Stöchiometrie über die Änderung der optischen Konstanten das Transmissionsverhalten erheblich beeinflusst. Die Auswirkungen der sich ändernden Materialeigenschaften auf die Modendispersion in planaren Wellenleitern wurden bezüglich der Wellenleiterhöhe und der optischen Konstanten mit MATLAB simuliert. Weiterhin wird gezeigt, wie die Variation des Si-Überschusses in den optischen Schichten die Bandlücke und das Transmissionsverhalten beeinflussen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse der weiterentwickelten Wellenleiterherstellung und ein möglicher Herstellungsprozess zur Kopplung zwischen MOSLED und Wellenleiter präsentiert.
  • The dielectric materials SiO2 and Si3N4 are mainly used as isolating layers in transistors and as matrices for rare earth elements (e.g. Erbium) in silicon-based light emitting devices (MOSLED). They are characterized by low attenuation losses between 0.1 dB/cm and 1 dB/cm in the visible (VIS) and near infrared (IR) spectral range, which is the main reason for their use in silicon photonics as well. Indeed, Silicon-rich Si3N4 and SiO2 enhance the optical efficiency in Er3+-doped MOSLEDs for e.g. telecommunications (1535 nm) and are suitable for high density integrated silicon-based optics. A low cost implementation can be realized via plasma enhanced chemical vapour deposition, which is compatible with the existing CMOS fabrication processes. This work deals with the production and investigation of Silicon-rich SiO2 (SiOX/SRO) and Si3N4 (SiNX/SRN) systems and with the development of deposition rate controlled SiO2 layers by PECVD. Furthermore, the structural properties were characterized by fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), ellipsometry, elastic recoil detection analysis (ERDA) and via transmission measurements. The optoelectronic properties were studied on MOSLEDs based onto a Si/SiOX/SiNX:Er3+/ITO system, where the light emitting layer consists of SiNX:Er3+. The stoichiometry influence on the light emitters were analyzed by I(V) (current-voltage) and I_CC measurements (constant current) with the simultaneous acquisition of the optical power and the electroluminescent spectra. Besides their usage in MOSLEDS, Silicon-rich layers were also used in optical waveguides, where the layer composition influences the optical constants and the light propagation. The consequences of the modified material properties on the mode dispersion in planar waveguides with respect to the waveguide height and the optical constants were simulated via MATLAB. Finally, the influence of Silicon excess to the bandgap and the transmission characteristics will be shown. In addition, the results of the developed waveguide process as well as a potential manufacturing process for coupling MOSLED and waveguide will be presented at the end.

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Metadaten
Author:Andreas Mrotzek
Advisor:Daniel SchondelmaierGND, Lars RebohleGND
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Name:Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Bautzner Landstraße 400, 01328 Dresden
Date of Publication (online):2018/02/22
Year of first Publication:2013
Publishing Institution:Westsächsische Hochschule Zwickau
Date of final exam:2013/10/17
Tag:Si3N4; SiNx; SiOx
Si3N4; SiNx; SiOx
GND Keyword:PECVD-Verfahren; MOS-Diode; Siliciumdioxid; Silicium; Energielücke; FT-IR-Spektroskopie; Durchstrahlungselektronenmikroskopie; R
Page Number:136 Seiten, 101 Abb., 38 Tab., 111 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik
Release Date:2018/02/22