Wachstum von Nanodrähten mittels der Metallorganischen Gasphasenepitaxie

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Beschreibung

Im Rahmen dieser Dissertation wurde das Wachstum von III/V Nanodrähten mittels
MOVPE entwickelt. Dabei wurde unter der Bearbeitung verschiedener Teilbereiche die
Grundlage geschaffen, um elektronische und optoelektronische Nanodrahtbauelemente herzu-
stellen. Auf dem Weg zu InAs Feldeffekttransistoren mit sehr hohen Beweglichkeiten und
Steilheitswerten, sowie nanodrahtbasierten GaAs Leuchtdioden, musste das Wachstum der
Nanodrähte bezüglich der strukturellen Eigenschaften, Zusammensetzungen, Erzeugung von
Heterostrukturen und Dotierbarkeit untersucht und optimiert werden. Dabei wurde während
dieser Arbeit gerade im Bereich zur p-Dotierung von GaAs Nanodrähten ein wesentlicher
Beitrag geleistet.
Das VLS-Wachstumsmodell, welches als Grundlage dieser Arbeit diente, wurde ausführ-
lich diskutiert. Außerdem wurden einige Methoden vorgestellt, die zeigen, wie und in welcher
Form die Wachstumskeime aufgebracht und auch vorstrukturiert werden können. In dieser
Arbeit wurden hauptsächlich Gold Nanopartikel verwendet, die vor dem Wachstum aus einer
kolloidalen Lösung oder aus der Gasphase auf die Probenoberfläche deponiert wurden. Eben-
falls wurden dünne Goldfilme als Wachstumstemplate verwendet, die aufgrund ihrer Struktu-
rierbarkeit während des Aufdampfprozesses äußerst interessant sind.
GaAs ist das zentrale Materialsystem mit dem die meisten Wachstumsversuche durchge-
führt wurden. Hier fanden im Laufe dieser Arbeit detaillierte Untersuchungen bezüglich
Wachstumsrate und Strukturform statt. Kristallfehler konnten genau wie überlagertes Man-
telwachstum, was in einigen Bereichen unerwünscht ist, nahezu unterdrückt werden. Die Ab-
hängigkeit der Wachstumsrate von Wachstumstemperatur, Partikelgröße und dichte wurde
mit Hilfe von diversen REM-Aufnahmen in weiten Bereichen untersucht. Darüber hinaus ist
es gelungen, GaAs Nanodrähte mit Hilfe von Eisenpartikeln zu wachsen, wobei die Ergebnis
se belegen, dass diese Strukturen nicht durch einen VLS-Prozess entstanden sind.
Innerhalb des InxGa1-xAs Materialsystems wurden Nanodrähte realisiert, bei denen der In-
Gehalt kontrolliert zwischen 0 % und 100 % variiert wurde und somit den gesamten Wellen-
längenbereich zwischen InAs und GaAs abgedeckt. Zur Kompositionsbestimmung konnte die
hochauflösende Röntgendiffraktometrie für Nanodrähte erfolgreich adaptiert werden. Die
Ergebnisse wurden mittels hochauflösender TEM Charakterisierung inklusiver EDS Analysen
bestätigt.
Heterostrukturen wurden im Rahmen dieser Arbeit sowohl in axialer als auch in radialer
Anordnung realisiert, wobei für die Umhüllungen der gezielte Wechsel vom VLS- zum
Schichtwachstum ausgenutzt wurde. Die Grenzflächenschärfe von axialen GaAs/GaP/GaAs
Überstrukturen konnte mit Hilfe von optimierten Wachstumspausen während des Gruppe-V
Wechsels bis an die Auflösungsgrenze der verwendeten EDS Messmethode verbessert wer-
den. GaAs/InxGa1-xAs/GaAs Heterostrukturen konnten sowohl in axialer als auch radialer
Richtung erzeugt werden. Dabei zeigt der axiale Materialwechsel, der ausschließlich durch
den VLS-Modus erzeugt wird, keinen abrupten Übergang, was auf den Speichereffekt der
Gruppe-III Elemente innerhalb der Goldpartikel zurückzuführen ist. Die radialen Übergänge,
die hingegen durch Überlagerung mit konventionellem Schichtwachstum entstanden sind,
zeigen anhand von EDS Messungen scharfe Kern-Mantel GaAs/InGaAs/GaAs Übergänge.
Weiter konnten qualitativ hochwertige GaAs Nanodrähte auf Si Substrat gewachsen werden,
was anhand intensiver Photolumineszens belegt wurde. Eine bevorzugte Wachstumsrichtung
war erst nach optimierter Oberflächenpräparation mittels HF-Ätzschritten sowie erhöhten
Ausheiztemperaturen erkennbar. Die bisher besten Ergebnisse wurde mit extern vorbereiteten
Proben erzielt, auf denen bereits kurze Silizium Nanodrahtstümpfe auf einem (111) Silizium
Substrat mittels MBE vorgewachsen wurden. Im Vergleich zu den strukturellen Eigenschaften verschiedener
Halbleiternanodrähte und Nanodrahtheterostrukturen existieren derzeit wenig Ergebnisse zur kontrollierten Dotierung.
Jedoch ist die Dotierung von Halbleitermaterialien die Voraussetzung zur Herstellung von
elektronischen und optoelektronischen Bauelementen. Daher war die Dotierung von Na-
nodrähten ein wesentlicher Teilbereich dieser Arbeit. Um die bereits beschriebene Dotie-
rungsproblematik von Nanodrähten zu bearbeiten wurden unterschiedliche Ansätze verfolgt.
Unter der Verwendung des p-Dotierstoffes DEZn konnten GaAs Nanodrähte erfolgreich do-
tiert werden. Derzeit ist davon auszugehen, dass der Zn-Dotierstoff über das Goldpartikel in
den Draht gelangt. Da Zink beliebig in Gold gelöst werden kann und daher keine feste Sätti-
gungsgrenze vorhanden ist, beobachtet man einen Konzentrationsgradienten entlang des
Drahtes, der stark vom Zn-Angebot abhängt. Stationäre Ladungsträgerkonzentrationen kön-
nen sich durchaus erst nach einigen μm Drahtlänge einstellen. Durch Variation des Zink-
Angebotes konnten Ladungsträgerkonzentrationen zwischen 4,6×10 ¹⁸
cm ³ und 2,3×10 ¹⁹ cm ^-3
eingestellt werden. Eine Si (n) bzw. C (p)-Dotierung mittels der Quellenmaterialien DitBuSi
und CBr4 ist, für die in dieser Arbeit gewählten Wachstumsbedingungen, innerhalb des VLS-
Wachstums nicht realisierbar. Im Falle von getaperten Strukturen, die bei höheren Wachs-
tumstemperaturen entstehen, konnten mittels CBr4 p-dotierte Nanodrahthüllen realisiert wer-
den. Neben den In-Situ MOVPE Dotierungsansätzen wurde die Ionenimplantation als erfolg-
reiche alternative Methode zur Dotierung von GaAs Nanodrähten etabliert. Mittels der Im-
plantation von Zn Akzeptoren und einer anschließenden Ausheizprozedur konnte die Leitfä-
higkeit um den Faktor 10 ⁴
erhöht werden. Darüber hinaus rekonstruiert sich die amorphisierte
Struktur während dieses Ausheizschrittes nahezu komplett. Rechnungen dazu zeigen, dass
eine Dotierstoffkonzentration von etwa 3,5×10¹⁸
cm ^-3 erzielt werden konnte.
Als erste Nanodrahtbauelemente wurden MISFETs aus InAs Nanodrähten mit hervorra-
gendem Sättigungsverhalten und sehr hohen Ausgangsströmen hergestellt. Zusätzlich konnte
ein sehr hoher Steilheitswert extrahiert werden, was auf die exzellente Materialqualität der
gewachsenen InAs Strukturen zurückzuführen ist. Obwohl diese Strukturen nominell undo-
tiert sind, wurde eine n-Leitfähigkeitgerade mit Hilfe dieser Transistordaten nachgewiesen.
Diese Eigenschaft konnte mit dem Fermilevelpinning innerhalb des Leitungsbandes erklärt
werden, welche eine Elektronenanreicherung an der Oberfläche zur Folge hat. Darüber hinaus
kann ein weiterer Beitrag dieses Effektes auch durch eine Kohlenstoffhintergrunddotierung
aus den Quellenmaterialien stammen. Durch die Kombination von p-dotierten GaAs Na-
nodrähten, die auf n-GaAs Substrat gewachsen wurden, konnten pn-Übergänge gefertigt wer-
den, die neben der zu erwartenden Diodencharakteristik eine hohe Elektrolumineszens zeigen.
Die vorliegende Arbeit stellte die wissenschaftliche Materialversorgung für eine Reihe
von Projekten des Fachgebietes sicher, wie z. B. des Sonderforschungsbereiches SFB 445.
Zudem trug diese Dissertation maßgeblich dazu bei, den Forschungsschwerpunkt Nanotech-
nologie zu entwickeln, für den hoch aktuelle neue Forschungsaufgaben eingeworben werden
konnten. Zukünftiger Schwerpunkt bleibt somit die Dotierung und die damit verbundene Rea-
lisierung von pn-Übergängen innerhalb eines Nanodrahtes, um Leuchtdioden, Solarzellen und
andere Bauelemente zu erzeugen.