Synthesis and electrical characterization of Si nanowire - GaAs hetero-structures

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersZsfassung in engl. SpracheNanostrukturen sind ein interessantes und viel versprechendes Forschungsgebiet mit diversen Einsatzgebieten unter anderem in der Elektronik und Optoelektronik. Aufgrund ihrer geringen lateralen Abmessungen und der damit verbundenen Eigenschaft, Verspannungen innerhalb weniger Atomlagen ohne Zerstörung des Kristallaufbaus, abzubauen, bieten insbesondere Nanowires die Möglichkeit zum Aufbau von Halbleiter-Heterostrukturen. Sowohl Materialübergänge innerhalb des Nanowires, als auch Heteroübergänge zwischen Substrat und Nanowire bieten die Möglichkeit zur Herstellung derartiger Bauelementen. In dieser Diplomarbeit wurde die Erzeugung und Charakterisierung von Silizium Nanowires auf Galliumarsenidsubstraten gezeigt. Die große Bedeutung von GaAs für die Optoelektronik und die gute Kontrollierbarkeit des Wachstums von Si Nanowires machen diese Materialkombination besonders interessant. Ein weiterer Grund für die Untersuchung von Nanowire-Hetero-Strukturen mit dieser Halbleiterkombination ist, dass epitaktisches Aufwachsen der beiden Materialien aufeinander in durchgehenden Schichten schwierig ist. Der Grund dafür sind die unterschiedlichen Gitterkonstanten, die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der polare Kristallaufbau von GaAs. Nach einer kurzen Einleitung in das Themengebiet wird eine Einführung in die theoretischen Grundlagen über die verwendeten Materialien und Prozesse angeführt. Der dritte Teil behandelt mit der experimentellen Untersuchung der Nanowiresynthese den Hauptteil der Diplomarbeit. Der Einfluss der Substratreinigung auf das Nanowirewachstum und die Auswirkungen von mehreren nasschemischen Ätzverfahren auf das VLS Wachstum in einem Niederdruck-Gasphasen Prozess, mit Silan als Precursorgas wurden systematisch untersucht. Als Katalysator für das Nanowirewachstum wurde Gold verwendet. Dieses wurde in Form von Kolloiden, sowie in Form von gesputterten Goldschichten aufgebracht. Der Einfluss des Lösungsmittels, mit dem die Kolloide verdünnt wurden, wurde ebenso untersucht, wie die ideale Dicke der Goldschicht. Es wurde gezeigt, dass epitaktisches Wachstum auf Galliumarsenid im Vergleich zum Wachstum auf Silizium erst ab höheren Temperaturen möglich ist. Zu hohe Temperaturen führten im Fall von GaAs jedoch zu einer Zersetzung des Substrats. Mit einer weiteren Testreihe wurde der optimale Druck für das Wachstum und die am besten geeigneten Gasflüsse ermittelt. Um den so erzeugten Heteroübergang elektrisch vermessen zu können, wurden die Nanowires in einer Isolationsschicht eingebettet. Damit konnten einzelne Nanowires, isoliert gegen das GaAs- Substrats kontaktiert und vermessen werden. Der letzte Teil enthält die Ergebnisse der elektrischen Messungen. Es wurden das Strom-Spannungsverhalten des Bauteils bei Raumtemperatur sowie das Verhalten der Halbleiter-Heterodiode bei tiefen Temperaturen untersucht, diskutiert und daraus die Bandstruktur des Halbleiter-Heteroübergangs berechnet.Quasi-one-dimensional nanowires have attracted tremendous attention as a playground to study fundamental mesoscopic effects such as quantum confinement or single-electron transistor phenomena, and potential technological applications, enabling extraordinary progress for nanoscale electronics, sensors, photonic devices, solar cells, as well as catalysis and life science. Because of the relatively small lateral nanowire dimensions it is possible that stress induced by lattice mismatches at a hetero-interface can be released within a few atomic layers without causing damage to the inner crystal structure of the wire. Thus, it is possible to produce devices with heterostructures within one wire as well as between nanowire and substrate.The main focus of this diploma thesis is on the investigation of epitaxial silicon nanowire growth on a GaAs substrate and the electrical characterization of the interface. To the best of my knowledge no work on this topic was published before. The great importance of GaAs for optoelectronics and the good controllability of Si nanowires synthesis make this combination that interesting. Another reason for the research on this material combination at the nanoscale is the fact, that layer growth of these Si-GaAs Systems is very complex due to the great lattice mismatch.At the beginning a short introduction into the field of research is given. The theoretical part contains growth process concepts as well as a short review on the material properties. The third chapter contains experimental investigations of nanowire synthesis which is the main part of the thesis. The importance of the substrate cleaning is shown and the influences of different wet etching processes for the VLS process in an low pressure chemical vapor deposition reactor growth with silane as precursor gas are explored. Gold is used as a catalyst for this work and is either deposited on the substrate in the form of nanoparticles dissolved either in isopropyl alcohol or in water or sputtered onto the substrate. The influence of the solvent is investigated and the thickness of the gold layer optimized. It will be shown that the growth-temperature for epitaxial growth of nanowires on a GaAs substrate has to be higher than for Si substrates but too high temperatures will cause decomposition of the substrate. Also the best parameters for growth will regard to temperature pressure and gas flow will be determined. To perform electrical measurements on the interface between substrate and wire the device has to be covered with an isolating layer and individual nanowires have to be contacted with Ti/Au pads. The last part of the work includes the results of the electrical characterization. Current-voltage measurements are performed at room temperature and also at low temperatures. The results are discussed in the last chapter.8