Synthesis and electrical characterization of silicon nanowires

Abstract

In den letzten zehn Jahren wurden bedeutende Fortschritte in der Erzeugung von quasi 1D-Nanostrukturen wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Nanodrähten erzielt. Besonders halbleitende Nanodrähte haben sich als geeignete Kandidaten für neue Bauelemente im Bereich der Optoelektronik, Nanoelektronik und Sensorik erwiesen. Um Nanodrähte in diesen Bereichen einsetzen zu können, ist es wichtig das Wachstum, den Durchmesser und die kristallografische Orientierung der Nanodrähte kontrollieren zu können.<br />Diese Arbeit legt den Fokus auf den nachvollziehbaren und abstimmbaren Vapor-Liquid-Solid (VLS) Wachstumsmechanismus, der eine reproduzierbare Synthese von Silizium-Nanodrähten ermöglicht. Dabei stellte sich Gold als Katalysator und Silan als Silizium-Quelle als eine besonders zuverlässige Kombination für die Erzeugung von Silizium-Nanodrähten heraus. Durch Wachstumsexperimente in einem selbst gefertigten Experimentalofen konnten die optimalen Prozessparameter für ein epitaktisches Nanodrahtwachstum gefunden werden. Dabei haben sowohl der Prozessdruck wie auch die Temperatur einen großen Einfluss auf die Morphologie und auf die Ausbeute an epitaktisch gewachsenen Nanodrähten.<br />Die TEM-Analyse einzelner Nanodrähte belegt sowohl die Monokristallinität wie auch das Fehlen von Kristalldefekten.<br />Bemerkenswert ist dabei die Abhängigkeit der Orientierung vom Prozessdruck. Bei einem geringen Prozessdruck konnte eine <111>-Orientierung der Nanodrähte festgestellt werden, bei hohen Drücken hingegen wird <112>zur bevorzugten Wachstumsrichtung. Ein hoher Druck und die daraus resultierende hohe Siliziumzufuhr stabilisiert das Wachstum und vermeidet die Zersetzung des Goldpartikels. Dies ermöglicht die Synthese von geraden und langen Nanodrähten ohne Verunreinigungen.<br />Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass sowohl das native Siliziumoxid wie auch die Oxidschicht über dem Gold schädlich für ein epitaktisches und homogenes Wachstum sind. Das Entfernen dieser Oxidschichten vor dem Wachstum ist deshalb unverzichtbar. Zum Zweck der elektrischen Charakterisierung wurden einzelne Silizium-Na-nodrähte mit Hilfe der Elektronenstrahllithografie kontaktiert. Dieses Verfahren ermöglicht das Aufbringen von planaren Metallkontakten mit einer großen Genauigkeit. Um die intrinsischen elektrischen Eigenschaften von Nanowires extrahieren zu können, wurden Vierpunktmessungen durchgeführt. Dabei zeigen die Strom-Spannungs-Messungen eine Ortsabhängigkeit des spezifischen Widerstandes entlang des Nanodrahtes. Feldeffekt-Messungen wurden durch Vorspannen des Rückseitenkontaktes, der als Gate-Anschluss fungiert, durchgeführt und zeigen ein P-Typ-MOSFET-Verhalten mit einem Ein/Aus-Strom-Verhältnis von über drei Größenordnungen und einer vergleichsweise geringen Kanal-Mobilität. Die Transferkennlinie weist eine starke Verschiebung der Einsatzspannung auf, je nach Richtung des Gatespannungs-Verlaufes. Diese Drift kann den injizierten Oberflächenladungen zugeschrieben werden und ist ein Hinweis darauf, dass die elektrischen Eigenschaften von Nanodrähten in einem hohen Maß von den Oberflächenladungen beeinflusst werden. Es ist zu erwarten, dass auf Grund des großen Verhältnisses der Oberflächen zum Volumen die Eigenschaften von Nanodrähten im Allgemeinen durch Oberflächeneffekte kontrolliert werden.<br />Zum Schluss wird die Herstellung einer Struktur mit freistehenden Mikrobalken vorgestellt, die die parallele Formation von vertikal ausgerichteten und selbstkontaktierten Nanodrähten ermöglicht. Diese Methode ist ein vielversprechender Schritt in Richtung der Integration von Silizium-Nanodrähten in kompakte Vertikaltransistoren.<br />

During the past decade significant progress has been made in the realization of appropriate 1D nanostructures, such as carbon nanotube and nanowires. In particular, semiconductor nanowires are natural candidates for a wide range of novel devices having applications in optoelectronics, nanoelectronics and sensors. In developing these applications, it is important to control the growth, the diameter and the crystallographic orientation of the nanowires.<br />The present work focuses on the tunable Vapor-Liquid-Solid (VLS) growth mechanism, superior for the reproducible synthesis of silicon nanowires.<br />Gold as catalyst and silane as silicon source has been turned out to be a reliable combination for the synthesis of SiNWs. Growth experiments in an experimental Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD) setup have been performed in order to find the optimum process parameters for the epitaxial growth of nanowires. It could be shown thereby that the process pressure as well as the temperature have strong impacts on the morphology and the yield of the epitaxially grown nanowires. TEM analysis reveals the mono-crystallinity and the absence of crystall defects. For a low pressure process a <111>nanowire orientation has been identified, whereas at high pressure a change of the orientation is visible and <112> becomes the preferred growth direction. A high pressure and therefore a high silicon supply stabilizes the growth by avoiding the degradation of the catalyst particle and enables the synthesis of straight, clean and long nanowires. In addition it could be shown that the native oxide as well as the oxide atop the gold layer are detrimental to the epitaxial and homogeneous growth and therefore an effective oxide removal prior the nanowire growth is indispensable.<br />For the purpose of electrical characterization we have contacted individual nanowires with Electron Beam Lithography. This method provides the metalization of planar contacts with high accuracy. Four points measurements has been performed in order to extract the intrinsic electrical properties of the nanowires. The I-V measurements show a variation of the resistivity along the nanowire and field effect measurements performed on contacted nanowires by biasing the backside gate exhibit a p-type MOSFET behavior with a on/off current ratio of more than three order of magnitude however, with a comparable low channel mobility. The transfer curve shows a strong threshold shift depending on the gate bias sweep direction. This drift effect can be attributed to the injected surface charges and is an indication that the electrical properties of nanowires are strongly influenced by surface charges and surface effects in general due to their high surface to volume ratio. Finally the processing of cantilever structures have been proposed to enable a parallel formation of vertically aligned, self contacted nanowires. This latter method provides a promising step towards the integration of nanowires in a compact vertical transistor device.<br />