Impact of virtual substrates on the growth of rare earth oxides

Das MBE-Institut beschäftigt sich seit mehreren Jahren mit dem epitaktischen Wachstum von kristallinen Seltenen-Erden-Oxiden auf Si-Substraten. Als Modellsysteme werden dabei die Sesquioxide Gadoliniumoxid (Gd2O3) und Neodymoxid (Nd2O3) untersucht. Beide Oxide treten in dergleichen kristallografischen Struktur auf, wobei Gd2O3 einen kleineren Gitterabstand als Silizium aufweist während Nd2O3 größer als Silizium ist. In der Vergangenheit wurden ternäre Mischschichten der Form (Gd1-xNdx)2O3 (mit x = 0…1) auf Silizium gewachsen, d.h. die Gitterfehlanpassung konnte durch die Wahl der Zusammensetzung durchgestimmt werden. Auf diese Weise konnten erste Informationen zum Einfluss der Gitterverspannung auf dielektrische Eigenschaften von ternären Schichten gewonnen werden [1]. Alternativ kann der Spannungszustand von binären Oxiden durch den Einsatz von virtuellen Substraten mit größerer in-plane Gitterkonstante eingestellt werden. Hierbei bieten sich insbesondere relaxierte Si1-xGex-Schichten auf Si an.

Im Rahmen der Promotion „Einfluss von virtuellen Substraten auf das Wachstum von Seltene Erden Oxiden“ werden zwei Themenkomplexe bearbeitet:

Im ersten Teil wird eine Methode entwickelt, um glatte, relaxierte Silizium-Germaniumschichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen auf Siliziumsubstrate mit einer (001)- als auch einer (111)-Orientierung zu wachsen. Dafür wird der Ansatz der Kohlenstoff-unterstützten Epitaxie verwendet, der in [2] bereits für die Epitaxie von Germanium auf Si(001) Substraten vorgestellt wurde. Diese Schichten sollen für den zweiten Teil der Arbeit als virtuelle Substrate dienen. Die Schichten werden mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und anschließend auf ihre strukturellen Eigenschaften untersucht.

Im zweiten Abschnitt werden Seltene Erden Oxide auf die virtuellen Substrate aufgewachsen und anschließend bezüglich ihrer strukturellen und elektrischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei sollen sowohl binäre Gd2O3 als Nd2O3 Schichten strukturell und elektrische untersucht werden.

Ziel der Arbeit ist ein vertieftes Verständnis des Zusammenhangs von Struktur und dielektrischen Eigenschaften der dünnen Schichten durch das Einbringen einer definierten Verspannung in das Kristallgitter des binären Oxids. Dies wird durch die Wahl des virtuellen Substrates realisiert, wobei insbesondere für Nd2O3 sowohl eine Druck- als auch eine Zugspannung in das Gitter des Seltene Erden Oxids eingebracht werden kann.

[1] D. Schwendt: Charakterisierung von binären und ternären Seltene Erden Oxiden, Dissertation, Gottfried-Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2012.