Modulation der Bandstruktur von Ge/Si-Nanodrähten durch mechanische Verspannungen

Ziel des geplanten Projektes ist es den Einfluss von Quanten-Confinement, elektrischen Feldern und vor allem mechanischen Verspannungen auf die elektrischen und optischen Eigenschaften von Ge/Si-Nanodraht-Strukturen zu erforschen. Si und Ge sind die seit langem etablierten Basis- materialien der CMOS-Technologie. Die geplante Realisierung von On-Chip-Lichtquellen oder Detektoren ist aber aufgrund der ineffizienten Lichtemission mit diesen, indirekten Halbleiter- materialien, nicht möglich. Zuletzt wurden mehrere Forschungsarbeiten publiziert die einen direkten Bandübergang in stark verspannten Si und Ge voraussagen. Dies sollte aufgrund des geringen Energieunterschiedes der Bandlücken für Ge bei wesentlich kleineren Verspannungen möglich sein als für Si. Aktuelle Ansätze die 136 meV Energielücke zwischen dem direkten - und dem indirekten L-Leitungsbandminimum zu schließen umfassen z.B. Quanten-Confinement in Nanostrukturen, den Einbau von Sn in die Gitterstruktur von Ge und eben die gezielte Verspannung des Ge Kristallgitters teilweise auch in Verbindung mit starker n-Dotierung. Der Übergang zum direkten Halbleiter sollte dabei durch eine biaxiale Verspannung von ~2% bzw. einer uniaxiale Verspannung von etwa 4% erzielt werden können. Die Realisierung von so hohen Verspannungen dürfte allerdings in ausgedehnten Ge Kristallen kaum möglich sein, da dies zu Versetzungen, plastischer Verformung und letztendlich sogar zum Bruch führen würde. In Nanodrähten allerdings, die hochrein und weitgehend frei von Strukturdefekten synthetisiert werden können, sind solch Verspannungen ohne Materialdegradation realisierbar. Im Rahmen des geplanten Projektes sollten daher nach dem sogenannten vapor-liquid-solid Verfahren hergestellte Nanodrähte, monolithisch in mikro- mechanischeVerspannungsmoduleintegriert werden. Basierend aufunseren bisherigen Untersuchungen sind wir überzeugt, damit kontrolliert und reproduzierbar hohe tensile Verspannungen am Nanodraht anbringen zu können. Die mechanische Robustheit der Nanodrahtgeometrie ermöglicht dann über einen weiten Bereich einstellbare Zugspannungen und die damit verbundene Modifikation der Bandstruktur von verspannten Ge-Nanodrähten, axialen Ge/Si- als auch dotierten Nanodraht-Heterostrukturen zu untersuchen. In weiterer Folge soll dabei das Verspannungsmodul durch eine den Nanodraht umhüllende Elektrodenarchitektur (engl. Gate all around) erweitert werden und damit auch die Leitfähigkeit des Nanodrahts, bei verschiedenen Verspannungszuständen durch den sogenannten Feldeffekt moduliert werden können. Schließlich soll auch ein elektrostatisch aktuiertes Verspannungsmodul eingesetzt werden, das die Bestimmung der Piezoresistivität als auch die Veränderungen der optischen Eigenschaften durch - Photolumineszenz, Raman- und Rasterphotostrommessungen bei verschiedenen Temperaturen bis T=4K ermöglich. Diese elektrischen und optischen Untersuchungen an hochverspannten Nanodrähten, werden in Kombination mit ab-initio Simulationen zu einem allgemeinen Verständnis der durch Verspannungeninduzierten Veränderungender elektrischen und optischen Eigenschaften von Ge- und Si- basierten Systemen führen.

Die Auswirkungen von mechanischen Spannungen auf Silizium und Germanium wurden bereits in den 1950er Jahren dahingehend untersucht, die Bandstruktur zu modifizieren und damit die elektrischen und optischen Eigenschaften dieser Halbleitermaterialien für entsprechende Anwendungen zu optimieren. Insbesondere bei Germanium versucht man durch Nanostrukturierung, Einlegieren von Zinn oder eben mechanischen Verspannungen, dieses in einen sogenannten direkten Halbleiter mit verbesserten optischen Eigenschaften überzuführen. Die dazu benötigten hohen Verspannungen sind bei makroskopischen Bauteilen nicht möglich, da diese zur Bildung von Versetzungen, plastischer Verformung und schließlich zum Bruch führen. Die Fähigkeit einkristalline Nanodrähte herzustellen, die weitgehend frei von strukturellen Defekten sind, ermöglichten uns reversible Verspannungen von bis zu 10%. Damit wurden im Rahmen dieses Projektes die Auswirkungen ultrahoher Verspannungen auf die elektrischen und optischen Eigenschaften von Germanium, Silizium aber auch direkten Halbleitern wie CdS untersucht werden. Erstmals konnte eindeutig gezeigt werden, dass der sogenannte giant piezoresistive Effekt, der sowohl für Si als auch für Ge Nanodrähte beobachtet wurde, auf einer durch Verspannung induzierten Oberflächenladungsmodulation beruht. Dies konnte nur bei Nano-drähten beobachtet werden, da hier die Oberfläche wesentlich den Stromtransport beeinflußt. Mit der Realisierung von axialen p-n Dioden in Nanodrähten, konnten wir auch erstmals die Verringerung der Bandlücke bei axialer Verspannung der Nanodrähte direkt messen. Diese experimentellen Ergebnisse in Kombination mit den Simulationen unseres Projektpartners Riccardo Ruralli vom Institut de Ciència de Materials de Barcelona, lieferten ein grundlegendes physikalisches Verständnis der Auswirkungen von mechanischen Verspannungen auf die elektrischen und optischen Eigenschaften der untersuchten Halbleitermaterialien. Die Flexibilität unseres Ansatzes wurde auch durch die Integration von CdS-Nanodrähten in das Dehnungsmodul demonstriert. Nanodrähte aus CdS, waren insofern von besonderem Interesse, da an diesen bereits Dauerstrichlaseremission und ultraschnelleModulationgezeigtwerdenkonnte. EinNachteil solcher Nanodrahthalbeiterlaser ist jedoch das schmalbandige Emissionsspektrum, das durch die Bandlücke des Halbleiters festgelegt ist. In Zusammenarbeit mit der Gruppe von Carsten Ronning von der Univ. Jena haben wir einzelne CdS Nanodrähte in ein Dehnungsmodul integriert und damit erstmals einen durch mechanische Verspannungen dynamisch durchstimmbaren Nanolaser realisiert. Neben der mechanischen Stabilität der Nanodrähte erwiesen sich zuverlässige elektrischen Kontakte bei ultrahohen Verspannungen als kritische Komponenten. Im Rahmen der Optimierung dieser Kontakte entwickelten wir veschiedenste Legierungsverfahren bei denen sich insbesondere Aluminium als äußerst interessantes Kontaktmaterial erwies. Damit konnten ultraskalierte Al-Ge-Al Nanodrahtheterostrukturen hergestellt werden, die sich für viele Anwendungen von quantenballistischen Transport über Einzelelektronen-Transistoren bis hin zu Photo und elektrische Plasmondetektoren als äußerst interessant erwiesen.