Hybride Heterostruktur Nanodrähte

Halbleiter Nanodrähte bieten vielversprechende Möglichkeiten, die nächste Generation elektronischer Bauelemente zu realisieren und Quantisierungseffekte sowie eine reduzierte Zustandsdichte auszunützen, um höhere Transitfrequenzen und niedrigere Leckströme zu erreichen. Zusätzlich macht sie das hohe Oberflächen-zu- Volumen Verhältnis zu einem idealen Kandidaten für chemische Sensoranwendungen oder auch photovoltaische Energiegewinnung. Alle diese Anwendungsgebiete profitieren von der breiten Auswahl an möglichen Materialien, welche als epitaktisch gewachsene Nanodrähte in die Si/Ge Plattform integriert werden können. Die Funktionalität kann außerdem durch die Verwendung von Halbleiterheterostrukturen noch erweitert werden, um ein gezieltes Design der elektronischen Struktur für die jeweilige Anwendung zu ermöglichen. Das Ziel dieses Projektes ist die Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von hybriden Nanodraht Heterostrukturen, welche aus Si/Ge und III-V Materialien bestehen. Die kleine Kontaktfläche zwischen Substrat und Nanodraht beziehungsweise zwischen zwei Nanodrähten ermöglicht es, Materialien mit unterschiedlichen Gitterkonstanten und chemischen Bindungen zu verbinden und diese Heteroübergänge im unverspannten und defektfreien Fall zu untersuchen. Wir werden insbesondere das Wachstum von III-V Nanodrähten auf Si/Ge Nanodrähten und umgekehrt untersuchen. Bis jetzt hat sich die Forschungsarbeit hauptsächlich auf die Synthese von Si/Ge oder III-V Nanodraht Heterostrukturen konzentriert, daher ist unser Ansatz, diese beiden Felder zu verbinden eine logische Konsequenz. Mögliche Zugänge, auf welchen dieses Projekt basiert, sind axiale Si/Ge/III- V Heterostrukturen und III-V Äste auf Si/Ge Nanodrähten, wie auch das Wachstum von Si/Ge auf III-V Nanodrähten. Letztlich soll durch eine Kombination dieser Verfahren die Herstellung von Si/Ge/III-V basierten Nanodraht Heterostrukturen mit mehreren Grenzflächen und III-V Quantenpunkten, eingebettet in Gruppe IV Nanodrähten erreicht werden. Die elektronischen Eigenschaften dieser Heterostrukturen werden mittels optischer Messungen und elektrischer Transport Studien an einzelnen Nanodrähten und kleinen Ensembles durchgeführt. Dieses Projekt soll daher eine Methode entwickeln, um die Flexibilität und Funktionalität von III-V Heterostrukturen mit etablierter Si/Ge Bauelementtechnologie zu vereinen. Nachdem es sich hierbei um neuartige Strukturen handelt, ist ein weiteres Ziel dieses Projektes die Entwicklung von Bauelementprototypen, welche auf Nanodraht Heterostrukturen basieren, zugleich aber auch die Integration mit planarer Bauelementtechnologie erlauben. Hierfür schlagen wir verschiedene Geometrien vor, welche die Integration von epitaktisch gewachsenen III-V und hybriden Nanodrahtstrukturen mit konventioneller Si/Ge Technologie vereinen, und auf Silizium auf Isolator (SOI) Substraten basieren. Dies soll auch den Übergang von Wachstums- und Charakterisierungstudien zu funktionellen elektronischen oder optoelektronischen Bauelementen erlauben, welche später für bestimmte Anwendungen entwickelt werden können.

Nanodrähte erlauben die Integration von verschiedenen Materialien mit der etablierten Silizium- basierten Platform für Elektronikbauteile. Dies wird hauptsächlich durch die kleine Grenzfläche zwischen Nanodraht und Substrat erreicht, welche einen effizienten Abbau von Verspannungen und damit Defekt-freies Wachstum erlaubt. Wir haben einige Schlüsselaspekte dieses Themas in Hinblick auf hybride Systeme von CMOS Elekronik mit III-V Halbleiter-basierten optoelektronischen Komponenten untersucht. Die Synthese von Nanodrähten an genau definierten Positionen in einem ultra-hoch-Vakuum kompatiblen Prozess ein wichtiges Kriterium für die Integration in Bauelemente wurde durch Abscheidung von Gallium Punkten, welche als Katalysator Partikel verwendet werden, mittels fokusiertem Ionenstrahl erreicht. Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal verglichen mit anderen Lithographie-basierten Methoden ist das komplette Vermeiden von organischen Chemikalien, welche Epitaxieanlagen verunreinigen könnten. Weiters haben wir die Aufnahme von Bor in GaAs Schichten und Nanodrähte untersucht, um in zukünftigen Bauelementen gezielte Verspannungen einbauen zu können. Im Gegensatz zu anderen Gruppe III Elementen wird B an beiden Gitterplätzen eingebaut und führt daher zu einer inhärenten Löcherleitung. Diese ungewollte Hintergrunddotierung konnte durch optimierte Wachstumsparameter verringert werden. Im Falle von Nanodrähten wurden B Anreicherungen an der Oberfläche beobachtet, welche neue Möglichkeiten für Anwendungen in Sensoren schaffen. Radiale Nanodraht Heterostrukturen wurden gefertigt, um zukünftige Anwendungen in optoelektronischen Bauelementen zu ermöglichen. GaAs Nanodrähte wurden als Basis verwendet und mit InGaAs Potentialtöpfen umwachsen, welche Emissionswellenlängen im Bereich von 900 1000 nm erlauben. Derartige Heterostrukturen mit identischen oder variierenden Potentialtöpfen erlauben ein genaueres Studium der Ladungsträgerverteilungen im Nanodraht, welches stark von der nahen Oberfläche beeinflusst wird. Bei Proben mit Potentialtöpfen verschiedener Dicke wurde jeweils Photolumineszenz des Äußersten statt des breitesten Potentialtopfs beobachtet. Ein tieferes Verständnis der zugrundeliegenden Bandverbiegungen ist notwendig, um komplexere Bauelement Prototypen zu ermöglichen. Dieses Projekt hat die genannten Aspekte von III-V Nanodrähten näher beleuchtet. Die Positionierung, sowie die Studie neuer Materialien, welche nicht als Schichten hergestellt werden können, und auch die Integration von III-V Halbleitern mit Siliziumtechnologie für hybride optoelektronische Strukturen oder integrierte Sensoren stellen wichtige Errungenschaften dar.