The proposed research is for a novel SiGe-based Ion-Sensitive Dual Hetero-junction Bipolar Transistor (IS-HBT) to be used in both trans-dermal biological sensing as well as Lab-on-Chip (LOC) applications. The end goals for the device designed are two: For one, the research done for this work will be used to substantiate the claims made by Zafar et al. [1] that an HBT-style structure is better suited for biosensing application rather than a conventional Field Effect Transistor (FET) based geometries. Secondly, it provides the final element to be integrated along with a selectivity membrane, as well as with a reverse-iontophoresis system to enact trans-dermal sensing of potassium ions in a wearer’s body. The novelty of the device stems from the proposed modified wedding-cake structure lending itself to be easily implemented in a wearable package, the fact that it will act as both a transduction device as well as provide preamplification of signals. If successful, future researchers and/or corporations will have at their disposal a label-free advanced biosensor design that is integration-ready with currently available standard SiGe-BiCMOS processes.

Der Einfluss der Verspannung während des Wachstums von InAs auf GaAs(001) mittels Molekularstrahlepitaxie wird in dieser Arbeit untersucht. Eine Biegebalkenapparatur wurde benutzt, um den Verlauf der Filmkraft während des Wachstums und dem nachfolgenden Anlassen bei Wachstumstemperaturen zu messen. Die Steigung in einer Darstellung von Filmkraft gegen Filmdicke ist gleich der Verspannung, die sich während des heteroepitaktischen Wachstums bildet. Während des Wachstums von InAs auf GaAs(001) unter As-reichen Bedingungen zeigt die Filmkraft zuerst eine lineare Steigung. Dieser lineare Verlauf entspricht dem Aufdampfen der Benetzungsschicht (WL). Nach Erreichen der kritischen Schichtdicke verläuft die Filmkraft mit geringerer Steigung, was auf einen Abbau der Verspannung durch das Auftreten von Quantenpunkten (QP) hindeutet. Werden die QP nachfolgend angelassen, nimmt die Filmkraft wieder ab was durch Reifung der QDs und durch Desorption von InAs hervorgerufen wird. Modelle wurden entwickelt um die Filmkraft-Kurven, die während des Anlassens gemessen wurden, anzupassen. Die QP reifen unter Standard-Ostwald-Bedingungen für Temperaturen unterhalb 470°C. Verschiedene Mechanismen bestimmen den Reifungsprozess. Beim Anlassen bei höheren Temperaturen zeigt sich ein anderes Verhalten. Die Verspannung der QP baut sich auf Werte unterhalb der Verspannung ab, die durch das Aufbringen der Benetzungsschicht entstanden ist. Rasterkraftmikroskop-Aufnahmen zeigen, dass die QP zuerst reifen und sich dann nach ca. 450s bis 600s wieder auflösen. Im Unterschied zum Wachstum unter As-reichen Bedingungen führt das Wachstum unter In-reichen Bedingungen nicht zur Ausbildung von QP sondern verläuft im Lagenwachstumsmodus. Filmkraft-Kurven wurden ebenfalls unter diesen Bedingungen gemessen und zeigen, wie erwartet, eine deutliche Abweichungen von Kurven, die während des Stranski-Krastanov-Wachstums gemessen wurden. Eine erste vorläufige Analyse dieser Filmkraftkurven wird beschrieben. / The influence of stress on the growth of InAs on GaAs(001) by molecular beam epitaxy (MBE) is investigated in this thesis. An in-situ cantilever beam measurement (CBM) setup was used to measure the evolution of the film force during deposition and subsequent annealing at the growth temperature. The slope in a plot of film force versus film thickness is equal to the stress that builds up during heteroepitaxial growth. During the growth of InAs on GaAs(001) under As-rich conditions, the film force shows a linear slope up to a value of 2.3 N/m. This linear increase in film force corresponds to the deposition of the wetting layer. Beyond the critical thickness of 1.5-1.6 monolayers, the film force proceeds with a decreasing slope, indicating a strain release by the formation of quantum dots. When the samples are subsequently annealed, the film force decreases again due to the ripening of the quantum dots and the desorption of InAs. Models were developed to fit and explain the relaxation of the film force measured during the annealing of InAs quantum dots. At temperatures lower than 470°C, quantum dots undergo standard Ostwald ripening. Different mechanisms determine the ripening process. Fits of the models based on these mechanisms were made to the film force relaxation curves. Annealing of quantum dots at temperatures higher than 500°C shows a very different behavior. The film force accumulated during the quantum dot formation relaxes below the value which was built-up by the wetting layer growth. Atomic force microscopy images reveal that the quantum dots ripen first and then dissolve after 450s to 600s annealing. In contrast to the growth under As-rich conditions, the growth under In-rich conditions does not lead to the formation of quantum dots but proceeds rather in a layer-by-layer growth mode. The film force curves were also measured during this deposition mode. A preliminary analysis of the film force curves is presented.

Das Wachstum von monolagen dünnen Schichten von InN und GaN/InN auf ZnO wurde untersucht. Ebenso der Einfluss der Verspannung, welche durch das Substrat bedingt ist, auf den Indiumgehalt von (In, Ga)N Heterostrukturen, welche auf GaN und ZnO gewachsen wurden. Alle Proben wurden mittels Molekularstrahlepitaxy gewachsen. Es wurde eine Prozedur entwickelt zum Glühen von ZnO Substraten, um glatte Oberflächen mit Stufenfluss-Morphologie zu erhalten, welche sich für das Wachstum von monolage-dünnen Heterostrukturen eignen. Solche Zn-ZnO und O-ZnO Oberflächen konnten produziert werden, wenn die Proben bei 1050 °C in einer O2 Atmosphäre bei 1 bar für eine Stunde geglüht wurden. Reflection high energy electron diffraction wurde eingesetzt, um in situ den Wachstumsmodus und die Entwicklung des a-Gitterabstandes zu untersuchen. Die kritische Schichtdicke, ab welcher ein Übergang im Wachstumsmodus von glattem zu rauhem Wachstum statt findet, war für das Wachstum von InN auf ZnO geringer als 2 ML und setzt gemeinsam mit dem Beginn der Relaxation ein. Für das Wachstum von GaN auf monolagen-dünnem InN/ZnO konnte gezeigt werden, dass höchstens wenige ML abgeschieden werden können, bevor Relaxation eintritt und/oder eine Vermischung zu (In, Ga)N stattfindet. Untersuchungen durch Röntgenbeugung und Raman Spektroskopie geben Hinweise darauf, dass das Abscheidung der nominalen Struktur 100x(1 ML InN/2 MLs GaN) vermutlich zum Wachstum von (In, Ga)N führte. Die chemische Zusammensetzung war für alle Proben sehr ähnlich mit einem indium Gehält von etwa x: 0.36 und einem Relaxationsgrad von 65% - 73% für Proben, die auf ZnO gewachsen wurde und 95% für Wachstum auf 300 nm In0.19Ga0.81N/GaN. Ein unbeabsichtigter Unterschied im V/III-Verhältnis während des Wachstums von (In, Ga)N Heterostrukturen, auf welchen die Anwesenheit von Metalltröpchen auf manchen Proben hinwies, lies auf einen möglichen Einfluss auf das Relaxationsverhalten und die Oberflächenrauhigkeit schließen. / Several thin InN and GaN/InN films and (In, Ga)N heterostructures were grown using molecular beam epitaxy to investigate their growth mode. InN and GaN/InN films were grown on ZnO substrates and (In, Ga)N heterostructures were grown on (In, Ga)N buffers and ZnO substrates. Fabricating the heterostructures on two different types of substrates was a means of strain engineering to possibly increase the indium content in the (In, Ga)N layers. An annealing procedure was established to treat ZnO substrate to gain smooth, stepped surfaces suitable for ML thin heterostructure devices. Reflection high energy electron diffraction was used to investigate in situ the growth mechanism and evolution of the a-lattice spacing. The critical layer thickness for growth mode transition of InN from smooth to rough is below 2 MLs and fairly coincides with the onset of main relaxation. The deposition of GaN on ML thin InN/ZnO shows that at best a few MLs can be deposited before relaxation and/or intermixing into (In, GaN) takes place. Investigations by X-ray diffraction and Raman spectroscopy indicate that the deposition of a nominal structure of 100x(1 ML InN/2 MLs GaN) seems to result in the growth of (In, Ga)N instead. The average chemical composition was similar for all samples with an indium content close to x: 0.36 and a degree of relaxation between 65%-73% for samples grown on ZnO and 95% for the sample grown on 300 nm In0.19Ga0.81N/GaN pseudo-substrate. The surface was probed with atomic force microscopy and showed that starting with smooth surfaces with root mean square roughness around 0.2 nm there was a considerable roughening during growth and surfaces with grain like morphology and a roughness around 2 to 3 nm was produced. Unintentional differences in V/III ratio during growth of (In, Ga)N heterostructures, indicated by the presence of droplets on some of the sample surfaces, were possible, impacting on the sample relaxation behavior and the surface roughness.

Mit der vorliegenden Arbeit wird das Wachstum von polykristallinem Silicium auf Glas bei niedrigen Temperaturen aus metallischen Lösungen in einem Zweistufenprozess untersucht. Im ersten Prozessschritt werden nanokristalline Siliziumschichten (nc-Si) hergestellt, entweder durch die direkte Abscheidung auf geheizten Substraten oder durch als ''Amorphous-Liquid-Crystalline''(ALC)-Umwandlung bezeichnete metall-induzierte Kristallisation. Im zweiten Prozessschritt dienen die Saatschichten als Vorlage für das Wachstum von deutlich größeren Kristalliten durch stationäre Lösungszüchtung. Die ALC-Prozessdauer konnte durch umfassende Parameterstudien signifikant reduziert werden. Die Charakterisierung der durch direkte Abscheidung auf geheizten Substraten entstehenden nc-Si Saatschichten offenbarte, dass es sich dabei um individuelle Saatkörner handelt, die in eine quasi-amorphe Matrix eingebettet sind. Die Oxidation der Saatschichten vor dem zweiten Prozessschritt wurde als ein wesentliches Hindernis für das Wachstum identifiziert. Als erfolgreichste Lösung zur Überwindung dieses Problems hat sich ein anfänglicher Rücklöseschritt erwiesen. Da diese Methode jedoch schwierig zu kontrollieren ist, wurde ein UV-Laser-System entwickelt und installiert. Erste Resultate zeigen epitaktisches Wachstum an den Stellen, an denen das Oxid entfernt wurde. Bei der Lösungszüchtung auf ALC-Schichten beginnt das Wachstum an einigen größeren Saatkristallen, von wo aus umliegende Gebiete lateral überwachsen werden. Obwohl Kristallitgrößen bis zu 50 Mikrometern erreicht wurden, war es noch nicht möglich, geschlossene Schichten zu erzielen. Durch Lösungszüchtung auf nc-Si Saatschichten hingegen konnte dieses Ziel erreicht werden. Geschlossene, polykristalline Si-Schichten wurden erzeugt, auf denen alle Si-Kristallite miteinander verbunden sind. Neben den Wachstumsexperimenten wurden 3D-Simulationen durchgeführt, in denen u.a. unterschiedliche Heizerkonfigurationen simuliert wurden. / The subject of this thesis is the investigation of the growth of polycrystalline silicon on glass at low temperatures from metallic solutions in a two-step growth process. In the first process step, nanocrystalline Si (nc-Si) films are formed either by direct deposition on heated substrates, or by a metal-induced crystallization process, referred to as amorphous-liquid-crystalline (ALC) transition. In the second process step, these seed layers serve as templates for the growth of significantly larger Si crystallites by means of steady-state solution growth. Extensive parameter studies for the ALC process helped to bring down the process duration significantly. Characterization of the nc-Si seed layers, formed by direct deposition on heated substrates, showed that the layer is composed of individual seeds, embedded in a quasi-amorphous matrix. The oxidation of the seed layers prior to the second process step was found to be a major obstacle. The most successful solution has been an initial melt-back step. As the process is hard to control, though, a UV laser system has been developed and installed. First promising results show unobstructed epitaxial growth where the oxide has been removed. Steady-state solution growth on ALC seed layers was found to start from a few larger seed crystals, and then cover the surrounding areas by lateral overgrowth. Although crystallites with sizes of up to 50 micrometers were obtained, it was not yet possible to achieve full surface coverage with a continuous layer. By solution growth on nc-Si seed layers, however, it was eventually possible to achieve this goal. Continuous, polycrystalline Si layers were grown, on which all Si crystallites are interlocked. The growth experiments were accompanied by 3D simulations, in which e.g. different heater configurations have been simulated.

<p>Heteroepitaxial SiGeC layers have attracted immenseattention as a material for high frequency devices duringrecent years. The unique properties of integrating carbon inSiGe are the additional freedom for strain and bandgapengineering as well as allowing more aggressive device designdue to the potential for increased thermal budget duringprocessing. This work presents different issues on epitaxialgrowth, defect density, dopant incorporation and electricalproperties of SiGeC epitaxial layers, intended for variousdevice applications.</p><p>Non-selective and selective epitaxial growth of Si_1-x-yGe_xC_y(0≤x≤30, ≤y≤0.02) layershave been optimized by using high-resolution x-ray reciprocallattice mapping. The incorporation of carbon into the SiGematrix was shown to be strongly sensitive to the growthparameters. As a consequence, a much smaller epitaxial processwindow compared to SiGe epitaxy was obtained. Differentsolutions to decrease the substrate pattern dependency (loadingeffect) of SiGeC growth have also been proposed. The key pointin these methods is based on reduction of surface migration ofthe adsorbed species on the oxide. In non-selective epitaxy,this was achieved by introducing a thin silicon polycrystallineseed layer on the oxide. The thickness of this seed layer had acrucial role on both the global and local loading effect, andon the epitaxial quality. Meanwhile, in selective epitaxy,polycrystalline stripes introduced around the oxide openingsact as migration barriers and reduce the loading effecteffectively. Chemical mechanical polishing (CMP) was performedto remove the polycrystalline stripes on the oxide.</p><p>Incorporation and electrical properties of boron-doped Si_1-x-yGe_xC_ylayers (x=0.23 and 0.28 with y=0 and 0.005) with aboron concentration in the range of 3x10¹⁸-1x10²¹atoms/cm3 have also been investigated. In SiGeClayers, the active boron concentration was obtained from thestrain compensation. It was also found that the boron atomshave a tendency to locate at substitutional sites morepreferentially compared to carbon. These findings led to anestimation of the Hall scattering factor of the SiGeC layers,which showed good agreement with theoretical calculations.</p><p><b>Keywords:</b>Silicon germanium carbon (SiGeC), Epitaxy,Chemical vapor deposition (CVD), Loading effect, Highresolution x-ray diffraction (HRXRD), Hall measurements, Atomicforce microscopy (AFM).</p>

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This thesis reports on the development of low-temperature processes for transition metal carbide and MAX-phase thin film growth. Magnetron sputtering and evaporation, far from thermodynamical equilibrium, have been utilised to engineer the properties of the films by physical and chemical control. Deposition of W, W2C and β-WC1-x films with controlled microstructure, from nanocrystalline to epitaxial, is shown in the W-C system down to 100 oC. W films with upto 20 at% C exhibited an extreme solid-solution hardening effect, with a nanoindentation hardness maximum of 35 GPa. Furthermore, the design of epitaxial ternary carbide films is demonstrated in the Ti1-xVxCy system in the form of controlled unit-cell parameters, strain-free films with a perfect match to the substrate, and ternary epitaxial gradient films. Moreover, phase stabilisation and pseudomorphic growth can be tuned in (Nb,Mo)C and (Ti,W)C films. The results obtained can be used for example to optimise electrical contacts in SiC high-power semiconductor devices. A large part of this thesis focuses on the deposition of MAX-phases. These compounds constitute a family of thermally stable nanolaminates with composition Mn+1AXn, n=1, 2 or 3, where M is an early transition metal, A is generally a group 13-14 element, and X is C or N. They show a combination of typical ceramic and metallic properties and are also machinable by virtue of the unique deformation behaviour observed only in laminates. So far, the MAX-phases have almost exclusively been prepared by high-temperature sintering and studied in bulk form. However, this thesis establishes a patented seed layer approach for successful MAX-phase thin film depositions down to 750 oC. For the first time, single-phase and epitaxial films of Ti3SiC2, Ti3AlC2 and Ti2AlC have been grown. The method has also been used to synthesise a new MAX-phase, Ti4SiC3. In addition, two previously unreported intergrown MAX-type structures are presented, Ti5Si2C3 and Ti7Si2C5. Combined theoretical and experimental results show the possibility to deposit films with very low bulk resistivity and designed mechanical properties. Furthermore, the demonstration of MAX-phase and carbide multilayer films paves the way for macrostructure engineering, for example, in coatings for low-friction or wear applications.

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