Ladungsträgertransport in Nanodrahtstrulturen

Nägelein, Andreas GND

Die Integration von III-V-Halbleitern mit der etablierten Silizium-Technologie hat einen hohen Stellenwert bei der Weiterentwicklung vieler opto-elektronischen Bauelemente. Da hierbei Materialien mit unterschiedlichen Kristallstrukturen und Gitterparameter kombiniert werden müssen, entstehen Kristalldefekte, welche die Leistung und Effizienz dieser Bauteile beeinträchtigen. Unter Verwendung von Nanodrahtstrukturen, in denen mechanische Spannungen sehr effizient abgebaut werden können, ist es möglich, die Defektdichte zu reduzieren. Zudem kann von der Nanodrahtgeometrie, mit ihren einzigartigen Eigenschaften, profitiert werden. In dieser Arbeit wird ein ausgefeiltes Multi-Spitzen Rastertunnelmikroskop (MT-STM) eingesetzt, um den Ladungsträgertransport in freistehenden Nanodrahtstrukturen eingehend zu untersuchen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, ein detailliertes Verständnis über den Dotierstoffeinbau, die Leitungskanäle bei verschieden starker Dotierung sowie die Funktion ladungstrennender Kontakte in Nanodrähten zu entwickeln. In einem ersten Schritt werden die Ergebnisse des MT-STMs mit denen konventioneller Transferlängenmessung verglichen und bewertet. Die gute Übereinstimmung der ermittelten spezifischen Leitfähigkeit und Dotierstoffkonzentration, die hohe Ortsauflösung und die wenigen Prozessschritte bestätigen die Überlegenheit des MT-STMs gegenüber konventionellen Methoden. Die Vermessung verschieden dotierter Nanodrähte ermöglicht es den Dotierstoffeinbau im Detail zu untersuchen. Der Vergleich der Leitfähigkeiten dieser Drähte unmittelbar nach dem UHV-Transfer mit denen nach Oxidation an Luft, ermöglicht zudem die Evaluation der Auswirkungen von Oberflächenterminierungen auf den Ladungsträgertransport. Die für opto-elektronische Anwendung notwendigen ladungstrennenden Kontakte werden in axialer sowie radialer Ausführung untersucht. Hierbei ist die Ermittlung der exakten Dotierstoffprofile mit höchster räumlicher Auflösung besonders wichtig, da abrupte Halbleiterkontakte beim sogenannten vapor-liquid-solid Wachstum kaum realisierbar sind. Die vorliegende Arbeit schafft die Voraussetzungen für ein detailliertes Verständnis des Ladungsträgertransports und zur präzisen Ermittlung von Dotierprofilen in Nanodrähten, wodurch die Grundlage für die Verbesserung von Nanodraht-Bauelemente geschaffen wird.

The integration of III-V compound semiconductors with existing silicon technology is particularly important for the further development of many opto-electronic devices. One major challenge is the occurence of crystal defects due to the different crystal structures and lattice parameters, which reduce the performance and efficiency of these devices. The utilization of nanowire structures, which have a very efficient stress relaxation, allows to reduce the defect density in semiconducting materials, in particular, when combining hetero structures and lattice-mismatched materials in epitaxy. In addition, the nanowire geometry, with its unique properties, can be used advantageously. However, precise growth control and characterization of nanowires is still extremely challenging. In this work a sophisticated multi-tip scanning tunneling microscope (MT-STM) is utilized to thoroughly investigate the charge carrier transport in freestanding nanowire structures. The aim is to develop a detailed understanding of the dopant incorporation, the conduction channels at different doping levels and the function of charge-separating contacts in nanowires. In a first step, the electrical characterization via MT-STM is compared with those of a conventional transfer length measurement. The good agreement of the determined specific conductivity and dopant concentration, the high spatial resolution and the few necessary process steps confirmed the competitiveness of the MT-STM compared to conventional methods. The investigation of different doping concentrations in nanowires made it possible to study the temperature-dependent dopant incorporation. When comparing UHV-transferred with oxidized nanowires, incorporating different doping profiles, the effects on carrier transport can be evaluated. Charge separating contacts which are necessary for any opto-electronic application are investigated in axial as well as radial configurations in nanowires. The determination of the exact dopant profiles with highest spatial resolution is particularly important, since abrupt transitions are very difficult to realize in the vapor-liquid-solid growth mode. The present work provides a basic understanding of charge carrier transport and the precise determination of doping profiles in nanowire structures, thus laying the foundation for the improvement of nanowire-based devices.

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Nägelein, A., 2020. Ladungsträgertransport in Nanodrahtstrulturen. Ilmenau.
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