Formation and thermoelectic characterization of Al-Ge-Al nanowire heterostructures

Abstract

Die Menschheit strebt nach immer schnellerer und leistungsstärkerer Technologie in allen Lebensbereichen. Dieses Streben führt zu einer ständigen Maximierung der Leistung, vor allem durch die Miniaturisierung der elektronischen Bauteile. Halbleiter Nanowires (NWs) aus Silizium (Si) und Glaiumarsenit (GaAs) werden als vielversprechendstes Basismaterial für ultra-skaliete Hochleistungsbauteile in der Mikroelektronik erachtet. NWs sind quasi-ein-Dimensionale Strukturen mit nur wenigen Nanometer (nm) Durchmesser und ein länge von typischerweise einigen m. Aus der großen Auswahl an Materialien zeigt sich Germanium (Ge) als besonders interessant für zukünftige Forschungen und industrielle Anwendungen. Der im Vergleich zu Si etwa fünf Mal größeren Excition-Bohr-Radius, ermöglicht die Untersuchung von Quantenphänomenen an größeren Strukturen und damit verminderten Anforderungen an die Prozessierung. Darüber hinaus ermöglicht es die hohe Ladungsträgermobilität, was die Herstellung von Hochleistungsbauteilen ermöglicht. NW Heterostrukturen haben außerdem erstaunlich gute thermo-elektrische Eigenschaften. Thermoelektrische Bauteile können Wärme in Energie umwandeln und umgekehrt. Wegen der ein-Dimensionalität von NWs, kann eine sehr hohe thermoelektrische figure of merit (ZT) erreicht werden. Das Thema dieser Arbeit war es, Metall-Halbleiter-Metall (Al-Ge-Al) NW Heterostrukturen zu synthetisieren, welche ein scharfes Interface und monokristallines Aluminum (Al) aufweisen. Dies wurde mittels thermisch induzierten Diffusionsprozessen zwischen Vapour-Liquid-Solid (VLS) gewachsenen monokristallinen Ge NWs und gesputterten Al Kontakten bewerkstelligt. Einer der Kernprozesse der Synthetisierung dieser NW Heterostrukturen ist Rapid-Thermal-Annealing (RTA). Durch gezielte Beeinflussung der Prozessparameter kann die Länge des so erzeugten Ge Segmentes kontrolliert werden. Um das Ge vor Oxidation zu schützen und den NW widerstandsfähiger gegen äußere mechanische Belastungen zu machen, wurde eine Passivierungsschicht mittels Atomic-Layer-Deposition (ALD) aus Aluminumoxide (Al2O3) aufgebracht. Die Al-Ge-Al Heterostruktur stellt demnach ein System da, indem ein Halbleitender Ge NW über zwei Schottky-Kontakten, von einkristallinen Al-Zuleitungen kontaktiert ist. Die elektrische und thermoelektrische Charakterisierung wurde an freihängenden Al-Ge-Al NW Heterostrukturen mit einem mittleren Durchmesser von 50nm bei Raumtemperatur vorgenommen. Aus umfangreichen thermoelektrischen Untersuchungen wurde ein Seebeck Koeffizienten von 0,293mV/K ermittelt.

Modern society permanently demands more and faster technologies. This leads to the continual improvement and miniaturisation of electronic devices. Due to physical limits and the problem of heat dissipation, scaling becomes increasingly difficult. Semiconductor nanowires (NWs) are deemed to be one of the most promising building blocks for high-density, ultra-scaled and high-speed microelectronics. NWs are quasi-one-dimensional elongated structures, which are typically only tens of nanometers (nm) in diameter and several m long. From of the wide range of suitable materials, germanium (Ge) is predicted to be of key interest for future research and technology applications. Ge not only has a more than five times larger exciton Bohr radius compared to silicon (Si), what makes it more likely to study quantum phenomena, it also has a higher carrier mobility, enabling high performance devices. Furthermore, heterostructured NWs have astonishingly good thermoelectric properties. Thermoelectric devices are capable of transforming heat into energy and vice versa. Because of the one-dimensionality of NWs and their low thermal conductivity, a very high thermoelectric figure of merit (ZT) can be achieved. In this work, metal-semiconductor-metal (Al-Ge-Al) heterostructured NWs were synthesized with abrupt interfaces and single-crystal aluminum (Al) leads. This was accomplished by using thermally induced diffusion processes between vapour-liquid-solid (VLS) grown mono-crystalline Ge NWs and Al contacts formed by sputter deposition. One of the key strategies for the fabrication of these heterostructured NWs is rapid-thermal-annealing (RTA), because it enables the formation of an ultra-short Ge segment connected by two Schottky-tunnel-barriers. By tuning the process parameters, one is capable of controlling the length of the Ge segment. To secure the Ge from natural oxidation and to confer more mechanical stability, a passivation layer of aluminum oxide (Al2O3) was deposited surrounding the wire using atomic layer deposition (ALD). The electric and thermoelectric characterisation was performed on suspended Al-Ge-Al heterostructured NWs with an average diameter of 50nm at room temperature. The thermoelectric effect was investigated at temperature gradients up to 20K and revealed a Seebeck coefficient of 0,293mV/K.