Tuning the electronic properties of Germanium nanowires by focused ion beam implantation

Abstract

Die Nanowissenschaften erweisen sich als richtungweisende Technologie des 21. Jahrhunderts, da traditionelle Methoden und Materialien zum Bau elektronischer Schaltungen und Bauelemente an ihre Grenzen stoßen, wenn sie zukünftigen Anforderungen gewachsen sein sollen. Die Halbleiterindustrie muss mit physikalischen Grenzen zurechtkommen, an denen konventionelle Methoden scheitern.<br />Eindimensionale Nanowires sind potentielle Alternativen für zahlreiche Anwendungen und vielversprechende Kandidaten als Bausteine zukünftiger MOSFETs. Die Fähigkeit die elektronischen Eigenschaften solcher eindimensionaler Halbleiternanowires zu verändern, ist eine wesentliche Voraussetzung für ihren Erfolg. Verschiedenste Dotiermethoden wurden bislang untersucht, wie z.B. in-situ-, spin-on-Dotierung und Niedrigenergie Ionenimplantation.<br />In der vorliegenden Diplomarbeit wurde die Leitfähigkeit von Vapor-Liquid-Solid (VLS) gewachsenen Nanowires gezielt durch intensiven Ionenbeschuss verändert. Bemerkenswerterweise musste kein anschließender thermischer Ausheilschritt die eingebrachten Atome elektrisch aktivieren. Die Nanowires werden mithilfe eines 30 keV Ga + Ionenstrahls von einem Focused-Ion-Beam Systems mit verschiedenen Ionendosen implantiert. Die elektrischen Eigenschaften von gewachsenen und implantierten Nanowires werden durch IV Charakterisierung bei hohen und tiefen Temperaturen, als auch in back-/topgate Konfiguration, bestimmt.<br />Ein drastischer Anstieg der Leitfähigkeit proportional zur implantierten Dosis ist bei geringen Ionendosen zu beobachten. Der maximale Anstieg um einen Faktor von 10 3 wurde bei einer Dosis von 6.25*10 12 Ionen/cm 2 bestimmt. Wir vermuten verstärkte Selbstheilung in Nanostrukturen als Ursache für diesen einzigartigen Effekt. Mit beginnender Amorphisierung des Nanowires durch die Ionenbestrahlung wird die Leitfähigkeit bei weiterem Ionenbeschuss reduziert. Zur Klärung des Einflusses des Ionenstrahls auf die Morphologie wurden Untersuchungen auf einem Transmissionselektronenmikroskop durchgeführt.<br />

Nanoscience is expected to be the leading technology in the coming century since traditional methods and materials for building electronic circuits and devices reach their limits when facing future requirements. The semiconductor industry will have to deal with physical boundaries, where conventional methods face their limitations.<br />One-dimensional nanowires are potential alternatives for various applications and are promising candidates for building blocks of future MOSFETs. The ability to control the electronic properties in one-dimensional semiconductor nanowires is thereby an essential requirement. Doping by ion implantation is a widely employed technique in the semiconductor industry. Several doping methods have been investigated to date, such as in-situ doping, spin-on dopant and low energy ion implantation.<br />In the present work the conductivity of vapor-liquid-solid (VLS) grown germanium nanowires is tuned by intense ion bombardment. Remarkably, no further activation is required in contrast to conventional ion beam doping. The nanowires are implanted with 30 keV Ga + ions using a focused ion beam (FIB) system at various ion doses. The electrical characteristics of as-grown and ion implanted germanium nanowires are determined by I/V characterization at high/low temperatures as well as back/top gated configuration.<br />At low ion doses, a large increase in conductivity proportional to the implanted dose is observed. The maximum increase by a huge factor of 10 3 is determined at an ion dose of 6.25*10 12 ions/cm 2. We consider enhanced annealing in nanostructures as reason for this unique effect.<br />With beginning amorphization of the nanowire due to ion irradiation, the conductivity decreases with additional ion implantation. Additional TEM investigations are performed to investigate the influence of the ion beam on the morphology of nanowires.