Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4171
Main Title: Herstellung von dreidimensionalen Halbleiterstrukturen
Subtitle: Waferbonding von Graphen auf semiisolierenden Substraten
Translated Title: Creating of free-standing semiconductor heterostructures
Translated Subtitle: waferbonding of graphene on semi insulating substrates
Author(s): Buchholz, Antje
Advisor(s): Friedland, Klaus-Jürgen
Referee(s): Lehr, Heinz
Grahn, Holger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit unterteilt sich in zwei Themenschwerpunkte. Der erste Abschnitt be-handelt die Erzeugung von dreidimensionalen Objekten aus geschichteten Halbleitermateria-lien wie (Al,Ga)As und (In,Ga)As. Durch den Einbau von inneren Verspannungen zwischen den einzelnen Materialschichten können sich die photolithographisch vorprozessierten Struk-turen selbstständig aufrichten und zu den gewünschten Objekten formen. Mit Hilfe dieser Methode können komplett geschlossene Halbleiterrollen mit ca. 40 µm Durchmesser erzeugt werden. Dafür muss eine freigelegte Opferschicht selektiv mit Flusssäure geätzt werden, um die verspannte Heterostruktur vom Substrat zu lösen. Neben der Herstellung von Mikrorollen werden auch Brückenstrukturen durch Unterätzungen und unter Ausnutzung verschiedener chemischer Ätz-Selektivitäten von Halbleitermaterialien gestaltet. Sie dienen der Kombination von elektrischen Messungen mit Vibrationsmessungen. Außerdem ist es gelungen, sowohl Mikrorollen als auch Mikrolamellen periodisch anzuordnen. Der zweite Abschnitt der Arbeit erläutert die erfolgreiche Entwicklung eines neuen Übertra-gungsverfahrens von Graphen auf ein semiisolierendes Substrat. Dabei wächst das Graphen zunächst mit chemischer Gasphasenabscheidung (CVD, aus dem Englischen: Chemical Vapor Deposition) auf Kupfer. Die neu konzipierte Technologie ist ein direktes Verfahren zum Graphentransfer vom Kupfer zum Zielsubstrat und nutzt keinen Zwischenträger aus Polyme-ren. Die Prozessschritte zur Übertragung gliedern sich in: • CVD-Graphenwachstum auf 20 µm Kupferfolie • nasschemisches Ätzen zum Abdünnen des Kupfers zur Erreichung von Waferbonding-Dimensionen • Aufbau von Van-der-Waals-Kräften zwischen graphenbedeckter Kupferfolie und einem neuen Substrat mit Hilfe von Druck und Temperatur • ein letzter nasschemischer Ätzschritt zum Entfernen des verbliebenen Kupferträgers Mit dieser Methode können bis dato zusammenhängende Graphenareale bis zu 1,5 mm Länge und Breite auf Saphir übertragen werden. Das transferierte Graphen wird sowohl mit Licht-mikroskopie als auch mit Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Ramanspektros-kopie-Analysen vor und nach dem Graphenübertrag zeigen, dass es zu sehr geringem bis keinem strukturellen Qualitätsverlust des zweidimensionalen Kristalls durch die neue Transfertechnik kommt. Transportmessungen von Elektronendichte und Beweglichkeit des übertragenen Gra-phen liefern Werte für die zweidimensionale Elektronendichte von n = 6 ∙ 1012 cm-2 bei Beweglichkeiten über µ = 20 cm² / (Vs).
This thesis is divided in two main sections. The first part deals with the creation of three-dimensional objects of layered semiconductor materials such as (Al,Ga)As and (In,Ga)As. The photolithographically processed structures can lift themselves off to form the desired objects because of strain between the different material layers. By means of this method, completely closed tubes with 40 µm diameter can be fabricated. The strained (In,Ga)As/(Al,Ga)As bi-layer is released from the substrate by highly selective etching of a sacrificial layer using hydrofluoric acid. Bridge structures for combined electric and vibrational measurements can be realized using the same technique of selective semiconductor etching. Furthermore, periodically arranged microtubes and microlamella are realized. The second part of the thesis presents the successful development of a new transfer technique of graphene grown by chemical vapour deposition (CVD) on copper to a semi-insolating sub-strate. This new technology is a direct method and does not use any intermediate carrier of polymers. The process steps of the transfer are: • CVD graphene growth on 20 µm copper foil • wet-chemical etching to thin the copper in order to reach waferbonding dimensions • built-up of van der Waals’ forces between the graphene covered copper foil and the new substrate using pressure and temperature • a final wet-chemical etching process to remove the remaining copper carrier With this technique, it is possible to transfer connected graphene areas up to lengths and widths of 1.5 mm to sapphire. The transferred graphene is studied with scanning electron mi-croscopy and optical microscopy. Raman spectra of the graphene before and after the transfer show that there is basically no significant structural quality loss of the two-dimensional crystal because of the developed transfer technique. Measurements of the magnetotransport prop-erties of the graphene layer on the new substrate deliver a two-dimensional electron density of n = 6 × 1012 cm-2 with a mobility µ of more than 20 cm² / (Vs).
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-56189
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4468
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4171
Exam Date: 18-Jul-2014
Issue Date: 28-Aug-2014
Date Available: 28-Aug-2014
DDC Class: 530 Physik
620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Halbleiter
MEMS
Graphen
Waferbonding
Übertragungsverfahren
Semiconductor
MEMS
graphene
waferbonding
transfer
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