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dc.contributor.advisorSmoliner, Jürgen-
dc.contributor.authorBartmann, Maximilian Georg-
dc.date.accessioned2020-11-05T11:42:25Z-
dc.date.issued2020-
dc.date.submitted2020-
dc.identifier.urihttps://doi.org/10.34726/hss.2020.42283-
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/20.500.12708/16077-
dc.descriptionZusammenfassung in deutscher Sprache-
dc.descriptionAbweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers-
dc.description.abstractDie Nachfrage nach kompakteren und mobilen Sensoren erfordert eine immer stärkere Miniaturisierung der Sensorarchitektur. Diese Entwicklung wird weiter beschleunigt, durch die voranschreitende Verkleinerung moderner integrierter Schaltkreise und der ihnen zu- Grunde liegenden Transistoren. Diese auch als Moore’sches Gesetz bekannte Entwicklung, resultiert heutzutage in Strukturen die als quasi 1D bezeichnet werden können und auch unter dem Namen Nanodrähten bekannt sind. In diesem Kontext, liegt das Ziel dieser Arbeit nun in der Untersuchung von Germanium Nanodrähten als breitbandige Infrarot- Sensoren, basierend auf dem Prinzip eines Bolometers. Für diese Art der Detektion, wird die Energie der elektromagnetischen Strahlung durch einen Absorber in Wärme umgewandelt und an ein stromdurchflossenes Thermometer weitergegeben. Im Falle eines Halbleiters führt diese Erwärmung zu einer Erzeugung von Ladungsträgern und einer daraus resultierenden Vergrößerung der Leitfähigkeit. Bei einer konstant angelegten Spannung, ist dies anschließend als Anstieg des Stromflusses detektierbar. Derartige Detektoren finden eine vielseitige Anwendung in verschiedensten Technologien, unter anderem in der chemischen Analyse von Stoffen, als Sensoren für Wärmebildkameras und als Sensor für die Observation von astronomischen Phänomenen. Die intrinsischen Eigenschaften von Germanium Nanodrähten, eines hohen temperaturabhängigen Wiederstand und einer sehr kleinen thermischen Masse, machen diese zu einem aussichtsreichen Kandidaten für zukünftige Sensoren dieses Funktionsprinzips. Eine leichte Integrierbarkeit von Germanium in Silizium basierten Schaltkreisen, kombiniert mit einer Architektur nahe an modernen Transistoren, ermöglicht daher eine einfache Applikation in zukünftigen Detektoren. Die in dieser Arbeit verwendete Struktur, basiert auf einer freitragenden Silizium Nitrid Membrane, auf welcher einzelne Germanium Nanodrähte elektrisch kontaktiert sind. Die Rückseite der Membrane ist mit einem Absorber versehen, welcher diese unter Infrarot-Bestrahlung erhitzt. Dies führt anschließend zu einer Temperaturerhöhung in den Nanowires. In einer ersten grundlegenden Charakterisierung wurde der Temperaturko- effizient des Wiederstandes für Germanium Nanodrähte unterschiedlicher Dotierung und Oberflächenkonfiguration im Bereich von 4 K bis 296 K bestimmt. Anschließend wurde das bolometrische Signal über den gesamten Temperaturbereich untersucht. Bei 4 K konnten photonische Effekte in intrinsischen und leicht dotierten Nanowires nachgewiesen werden. Simulationen basierend auf der Finite Elemente Methode, zeigten eine starke Abhängigkeit der Charakteristik des Bolometers von der Größe der Membrane. Dies konnte durch eine hohe Übereinstimmung mit den experimentellen Daten bestätigt werden. Das Bolometer wurde anschließend auf seine Leistungsmerkmale bei Raumtemperatur untersucht. Die Leistungsfähigkeit des Bolometers konnte verbessert werden, durch die Konstruktion einer parallelen Schaltung von mehreren Nanodrähten. Mit den in dieser Arbeit präsentierten Ergebnissen konnte eine erfolgreiche Verwendung von Nanodrähten als bolometrischer Sensor gezeigt werden. Hierdurch wurde der Grundstein für weitere wissenschaftliche Arbeiten gelegt, welche die Entwicklung einer neuartigen Bolometer-Architekturde
dc.description.abstractThe increasing demand for more compact and mobile sensors intensifies the need for highly miniaturized device architectures. This is further supported by the downscaling of modern integrated circuits, also known as Moore’s Law. Today, this development results in transistor structures that can be described as quasi 1D and are also known as nanowires. In this context, the goal of this thesis is to investigate germanium nanowires as broad- band infrared sensors, based on the principle of a bolometer. The ability of bolometers to operate as uncooled broadband infrared sensor makes them a versatile tool with manifold field applications including chemical analysis, thermography and observation of astronomical phenomena. For this type of detection, the energy of the electromagnetic radiation is converted into heat by an absorber and transferred to a thermometer. In the case of a semiconducting thermometer, this heating leads to a generation of charge carriers and a resulting measurable increase in conductivity. The extremely small thermal mass of nanowires combined with the highly temperature dependent electrical resistance of Germanium, makes them a perfect building block for a high-performance bolometer device. Further, the simple integration of germanium into silicon-based circuits combined with an architecture close to modern transistors, allows for an easy realization of a future detector. The structure used in this work is based on a silicon nitride membrane on which individual germanium nanowires are electrically contacted. The backside of the membrane is equipped with an absorber, which heats the membrane under infrared radiation. This subsequently leads to a temperature increase in the nanowires. In a first basic characterization, the temperature coefficient of resistance is determined for germanium nanowires of different doping and surface configuration in the range of 4 K to 296 K. Subsequently, the amplitude and speed of the bolometric response characteristic is studied over the entire temperature range. At a temperature of 4 K photonic effects could be detected in intrinsic and lightly doped nanowires. Simulations based on the finite element method show a strong dependence of the bolometer characteristics on the size of the membrane. This could be confirmed by a high agreement with the experimental data. The bolometer is then benchmarked for its performance characteristics at room temperature. Further, it is demonstrated that the performance of the bolometer can be significantly improved by designing a parallel circuit consisting of several nanowires. With the results presented in this thesis a successful use of nanowires as bolometric sensor could be shown. This pro- vides a promising framework for a future highly miniaturized broadband infrared sensor with a wide field of possible applications.en
dc.formatix, 168 Seiten-
dc.languageEnglish-
dc.language.isoen-
dc.subjectNanodrähtede
dc.subjectHalbleiterde
dc.subjectelektronische Eigenschaftende
dc.subjectNanowiresen
dc.subjectSemiconductorsen
dc.titleGermanium nanowires for bolometric sensorsen
dc.title.alternativeElektronische Eigenschaften von Ge-Nanodrähten für Bolometer-Anwendungen.de
dc.typeThesisen
dc.typeHochschulschriftde
dc.identifier.doi10.34726/hss.2020.42283-
dc.publisher.placeWien-
tuw.thesisinformationTechnische Universität Wien-
tuw.publication.orgunitE362 - Institut für Festkörperelektronik-
dc.type.qualificationlevelDoctoral-
dc.identifier.libraryidAC16065885-
dc.description.numberOfPages168-
dc.thesistypeDissertationde
dc.thesistypeDissertationen
item.languageiso639-1en-
item.openairetypeThesis-
item.openairetypeHochschulschrift-
item.fulltextwith Fulltext-
item.cerifentitytypePublications-
item.cerifentitytypePublications-
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
item.openairecristypehttp://purl.org/coar/resource_type/c_18cf-
item.grantfulltextopen-
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