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Markus Trutschel
Thermoelektische Eigenschaften von Si/Ge-Nanostrukturen.
Diplomarbeit (2010),

Durch ausgereifte Herstellungsmethoden und ein größer werdendes physikalisches Verständnis nanoskalierter Objekte können immer kleiner strukturierte Materialien hergestellt werden. Insbesondere ist das kontrollierte Abscheiden atomar dünner Si/Ge-Schichten weitgehend erforscht. Die direkte, reproduzierbare Messung elektrischer Eigenschaften dieser Systeme senkrecht zur Wachstumsrichtung wurde jedoch bislang noch nicht erreicht. Es ist gelungen, eine Messaparatur und Probenpräparation zu etablieren, mit der eine elektrische Messung an sehr dünnen Schichten und Schichtsystemen möglich ist. Dabei können sowohl Eigenschaften in-plane, als auch cross-plane untersucht werden. Es ist möglich Schichten elektrisch zu vermessen, die mindestens 600 nm dick und 100 × 200 µm groß sind. Schichten mit einem spezifischen cross-plane-Widerstand über 0,01 Ohmcm können auch dünner sein, wenn eine sehr leitfähige Verbindungsschicht, mit rho_B <0,001 Ohmcm, existiert. Ätzverfahren zur Mesastrukturerzeugung für Si/Ge-Übergitter wurden erarbeitet. Als geeignet erwies sich reaktives Ionenätzen in einer Ätzgasatmosphäre aus C4F8 und SF6. Strukturen, die photolithographisch erstellt werden können, wurden entwickelt. Pt/Au/Pt und Pt/Al/Pt erwiesen sich dabei als gute Kontaktmaterialien. Die Strukturen eignen sich gleichzeitig zur elektrischen Charakterisierung der Schichten parallel und senkrecht zum Substrat. Die Größe einer Strukturanordnung ist 100 × 200 µm. Es ist jedoch, infolge der inhomogenen Verteilung des Photolacks an den Ecken der Probe, ein 2 mm großer Abstand zwischen dieser Strukturanordnung und dem Probenrand nötig. Da mit Photolithographie nur Herstellungsgenauigkeiten im 100 nm-Bereich möglich sind, müssen die Strukturgrößen bei jeder vermessenen Probe überprüft werden. Es hat sich gezeigt, dass eine ausreichende Genauigkeit nur mit elektronenmikroskopischen Untersuchungen zu erreichen ist. Dies liegt in der maßgeblichen Abhängigkeit des gemessenen Widerstands von der Läge der Verbindungsschicht, weshalb diese so exakt wie möglich zu vermessen ist. Auch die Turmhöhen liegen in einer Größenordung, die sich nur mit Elektronenmikroskopie ausreichend genau bestimmen lassen. Die relativen Messfehler elektronenmikroskopischer Vermessungen liegen bei etwa 2 %. In Messungen an einem (Si)48/(Ge)2-Superlattice wurde ein Widerstandsanstieg gegenüber bulk-Si nachgewiesen. Dieser war jedoch deutlich kleiner als von Yang et al. angegeben]. Der Seebeckkoeffizient des Superlattices lag bei Temperaturen von 40...55 °C signifikant über dem bulk-Wert. Diese Messungen haben die Funktionalität des entwickelten Messaufbaus bestätigt. Es ist gelungen, ein wirkungsvolles Werkzeug zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften dünner Schichten zu entwickeln. Auf diese Weise ist es möglich, deren systematischen Abhängigkeiten vom Aufbau eines Superlattices zu untersuchen und zu verstehen. Die auf diesem Gebiet angestellten Berechnungen können hiermit experimentell überprüft werden, solange die benötigten Strukturen sich technisch herstellen lassen.

Keywords: thermoelectrics, SiGe, conduction, electrical properties, instrumentation
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