Tailoring the electrical properties of silicon nanowires using focused electron beam induced processing

Abstract

Nanomaterialien gelten als Bausteine für die nächste Generation der Elektronik. Besonders Technologien zur gezielten Modifikation ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften sind der Schlüssel für ihre zukünftige Anwendungen. In dieser Arbeit wird eine neue Methode entwickelt, um die elektrischen Eigenschaften von Silizium-Nanodrähten gezielt zu beeinflussen. Die elektronenstrahlinduzierte Prozessierung mit Chlor (Cl2 FEBIP) wurde erfolgreich angewandt, um die elektrischen Eigenschaften von Silizium-Nanodrähten zu verändern. Silizium-Nanodrähte wurden durch zwei Goldelektroden elektrisch kontaktiert, welche durch Photo- und Elektronenstrahl-Lithographie, Sputterabscheidung und Lift-off hergestellt wurden. Der Bereich zwischen den Kontakten wurde dann in-situ mit dem neuartigen Cl2 FEBIP Verfahren lokal modifiziert. Zwei Effekte wurden untersucht: Zunächst wurde eine deutliche Verringerung der Leitfähigkeit der Nanodrähte durch Cl2 FEBIP gemessen. Diese Verringerung der Leitfähigkeit wurde auf die Passivierung der freien Bindungen an der Silizium/Siliziumoxid-Grenzschicht durch Cl zugeschrieben. In einer zweiten Reihe von Experimenten wurde die Cl2-FEBIP Modifikation erfolgreich angewendet, um einen Silizium-Nanodraht mit einer anfänglich ohmschen Charakteristik in einen Nanodraht mit einer diodenartigen Charakteristik umzuwandeln. Die Gleichrichterwirkung wurde einer chlorinduzierten Modifikation des Band gaps im bearbeiteten Teil des Silizium-Nanodraht zugeschrieben. Die Wirkung der einzelnen Verfahrensparameter auf das elektrische Verhalten des Silizium-Nanodraht wurde untersucht. TEM-EDX beleget die vermutete Anwesenheit von Chlor auf dem Cl2 FEBIP bearbeitetn Teil des Silizium-Nanodrahtes.

Nanomaterials area aspired to be the building blocks for the next generation electronics. Especially technologies to tailor their electrical and optical properties are key for their future applications. In this work a novel method to tailor the electrical properties of silicon nanowire is presented. Focused electron beam induced processing using chlorine (Cl2-FEBIP) is successfully applied to modify the electrical properties of silicon nanowire. Silicon nanowires are electrically contacted by two gold electrodes, which were fabricated by means of photo- and electron beam lithography, sputtering and liftoff techniques. The section between the contacts was then locally processed by simultaneous chlorine exposure and electron exposure, the so-called Cl2-FEBIP process. Two effects were investigated. First a significant reduction in the conductance of the nanowires due to Cl2-FEBIP was measured. This reduction in conductance was attributed to the passivation of dangling bonds at the silicon/silicon oxide interface by Cl. In a second set of experiments Cl2-FEBIP was successfully applied to transform a silicon nanowire with an ohmic characteristic into a nanowire with a rectifying diode-like characteristic. This rectifying effect was interpreted based on the hypothesis of band gap modification due to Cl2-FEBIP. The effect of the different process parameters on the electrical behavior of the silicon nanowire has been investigated. TEM-EDX analysis shows the proposed presence of chlorine on the Cl2 FEBIP treated part of the silicon nanowire.