Monolithische Integration von Nanodrähten

In den letzten Jahren haben sich eindimensionale Nanostrukturen als äußerst leistungsfähige Komponenten für nanoskalige Bauteile erwiesen. Neben den Kohlenstoffröhrchen (engl. carbon nanotubes) zeigten besonders halbleitende Nanodrähte (engl. nanowires) ihr großes Potential für zukünftige elektrische, optische und magnetische Nanobauteile als auch für hochsensible Sensoren. Darüber hinaus besitzen diese halbleitenden Nanodrähte den Vorteil dass sie problemlos in die vorhandene Halbleiterinfrastruktur eingeführt werden können und folglich von den kontinuierlichen Verbesserungen in der CMOS Technologie profitieren. Neben einer stetigen Verkleinerung der Bauteile kann dabei die monolithische Integration der, für optische Anwendungen ausgezeichneten, III-V Halbleiter, in die ausgereifte Si-Technologie zu einer erweiterten Funktionalität führen. Die in Nanodrähten eingeschränkte Ladungsträgerbeweglichkeit kann z.B. in optischen Bauelementen Ladungsträgerrekom-bination noch effizienter machen und damit die Lichtemission erhöhen. Die monolithische Integration von III-V Halbleiter in die Si-Technologie auf Waferebene durch epitaktisches Aufwachsen ist bisher an fundamentalen Problemen wie der Fehlanpassung des Gitters und unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten gescheitert. Bei Nanodrähten wird aufgrund der kleinen Berührungsfläche das Kristallgitter des III-V Halbleiters nur nahe der Berührungsfläche elastisch verformt und die Verspannungen relaxieren sehr rasch an der Nanodrahtoberfläche. Hauptziel dieses Projektes ist daher die monolithische Integration von hierarchischen Nanodraht-Heterostrukturen in Siliziumbauteilen und deren elektrische und optische Charakterisierung. Dabei soll, basierend auf LPCVD und MBE Technologien, eine Methode zur kontrollierten Synthese von Nanodrähten und Nanodrahtheterostrukturen entwickelt werden. Das Wachstum der Nanodrähte wird bei dem von uns eingesetzten VLS (engl. vapor-liquid-solid) Verfahren von nanometergroßen Metallkatalysatoren induziert. In einem zweiten Schritt werden dann einzelne Nanodrähte aber auch Ensembles von Nanodrähten in sogenannte Testmodule integriert, um dann deren fundamentale elektrische und optische Eigenschaften untersuchen zu können. Die daraus gewonnenen Ergebnisse sind Grundlage für eine Evaluierung potentieller Einsatzgebiete und die Module stellen eine Plattform für neuartige elektronische, magnetische Anwendungen, Spintronic- oder Sensorbauteile dar. Aufbauend auf die ausgereifte SOI-Technologie sollen zwei unterschiedliche, teils selbstjustierende Prozesse zur Herstellung der Testmodule entwickelt werden. Systematisch sollen mehrere Materialkombinationen (Metalle und Halbleiter) im Hinblick auf die folgenden 3 Anforderungen untersucht werden: (i) die Möglichkeit der Entwicklung geeigneter Syntheseprozesse, um Nanodrahtheterostrukturen kontrolliert und reproduzierbar herzustellen (vertikale- , radiale Heterostrukturen, Hybridsysteme und verzweigte Heterostrukturen). (ii) die Möglichkeit der grundlegenden Untersuchung der Grenzflächenübergänge von Heterostrukturen und der Charakteriserung von Metallkontakten zu den Nanodrähten. (iii) der Entwicklung verlässlicher Meßmethoden zur qualitativen und quantitativen Bestimmung der elektrischen und optischen Eigenschaften der Hybrid- und Nanodrahtheterostrukturen. Neben den wissenschaftlichen Aspekten soll dieses Projekt Jungwissenschaftlern, im speziellen den beteiligten Doktoranden, die Möglichkeit geben, in einem zukunftträchtigen Bereich der Nanotechnologie tätig zu sein und ein wissenschaftliches Profil zu entwickeln.

Der Wunsch nach immer höherer Leistungsfähigkeit und die Forderung nach geringerem Stromverbrauch treibt die Halbleiterindustrie zur Suche nach neuen Materialien und Funktionalitäten. Auf der Materialebene sind das vor allem halbleitende Nanodrähte die aufgrund ihrer Kompatibilität mit vorhandener Halbleitertechnik, als vielversprechende Anwärter für elektronische Bauteile der Zukunft, aber auch als aktive Elemente für Sensoren gehandelt werden. Im Rahmen dieses Projekts haben wir mehrere Ansätze für die monolithische Integration von solchen Nanodrähten in funktionale Module basierend auf Silizium untersucht. Dazu war es auch nötig ein neues Messsetup zu installieren, das die elektrische und optische Charakterisierung einzelner Nanodrähte ermöglicht.Die Integration von Nanodrähten in vorgefertigte Si Module erfordert vor allem eine präzise Kontrolle des Wachstums der Nanodrähte die im sogenannten Vapor-Liquid-Solid (VLS) Verfahren erzielt werden kann. Das Wachstum wird dabei durch nanoskopische Metall-Katalysatoren bisher zumeist Au initiiert. Wir testeten die Anwendbarkeit diverser Katalysatoren und Prekursoren im Hinblick auf optimierte Wachstumsraten, Kontrolle der Wachstumsrichtung und die Durchführbarkeit von epitaktischen NW Wachstum.Durch den Einsatz von Octochlorotrisilane als Si Prekursor und Au als Katalysator konnte die Wachstumsrichtung gut kontrolliert und ein hohes Maß an Epitaxy erzielt werden. Ferner konnten wir für diesen neuen Prekursor durch die Optimierung der Wachstumsbedingungen, effektives Nanodrahtwachstum für Cu, Ag, Ni und Pt Katalysatoren zeigen. Dabei sind insbesondere die letzten beiden von technologischem Interesse, da sie zur komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie kompatibel sind. Neben einer gut kontrollierbaren Synthese von Nanodrähten war die Herstellung und Charakterisierung von zuverlässigen Kontakten sowie generell abrupten Heteroübergängen ein wesentliches Ziel dieses Projektes. Exemplarisch haben wir dazu Cu3Ge/Ge/Cu3Ge-NW-Heterostrukturen mit atomar scharfen Übergängen zwischen den metallischen Cu3Ge Abschnitten und den Ge Nanodrähten untersucht. Für deren Integration in Bauteilen konnten wir zeigen, dass diese perfekten Heterostrukturen in sub 10-nm MOSFETs integriert werden können, wobei die Kanal-Länge nicht durch einen lithographischen Prozess sondern durch einen gut kontrollierbaren Diffusionsprozess im sub-10nm Bereich eingestellt werden kann. Das eigentliche Ziel dieses Projektes konnte durch die Integration von Nanodrähten in vorgefertigte Module gezeigt werden. Diese Integration von Si, Ge und auch GaAs Nanodrähten in ein vorprozessiertes mikromechanisches Dehnungsmodul ermöglichte erstmals die elektrischen und elektro-optischen Untersuchungen an hyperverspannten Nanodrähten. Verglichen mit Bulkmaterialien wurde eine ungewöhnlich hohe Piezoressistivität für verspannte Si und Ge Nanodrähte gefunden. Spektral aufgelöste Photostrom- und Photolumineszenzmessungen an verspannten Ge und GaAs Nanodrähten gaben darüber hinaus Hinweise auf eine Spannungs-induzierten Veränderung der Bandstruktur.Solche individuell verspannbaren Nanodrähte stellen eine ideale Plattform für Untersuchungen des Einflusses von Verspannungen auf die Materialparameter dar und können wesentlich zur Realisierung von hochsensiblen Dehnungsmessstreifen, hochleistungs MOSFETs oder neuartigen optoelektronischen Bauteilen führen.