Ultrascaled germanium nanowires for highly sensitive and spatially resolved photon detection

Abstract

Niedrigdimensionale Nanostrukturen gelten als aussichtsreiche Kandidaten für die Realisierung von ultrakleinen Photodetektoren für zukünftige optische on-Chip Verbindungsleitungen. Aufgrund der CMOS-Kompatibilität und der herausragenden elektrischen und optischen Eigenschaften könnte insbesondere Germanium ein vielversprechendes Material für diese Strukturen sein. Die Verwendung von Ge Nanodrähten für hochsensitive Photoleiter ist bisher jedoch weitgehend unerforscht. Diese Arbeit widmet sich der systematischen Untersuchung der elektrooptischen Eigenschaften von Ge Nanodrähten. Dazu wurden monolithische Al-Ge-Al Heterostrukturen mit abrupten Grenzflächen und high-k Passivierung hergestellt. Der verwendete Fertigungsprozess erlaubte dabei die Erzeugung von ultrakurzen Ge-Segmenten ohne Limitierung durch die Auflösung eines Lithografiesystems. Nach der Integration der Nanodrähte in Back-Gate gesteuerte Feldeffekttransistoren konnte ein p-Typ Verhalten festgestellt werden, das auf Oberflächendefekte zurückzuführen ist. Bei Anlegen eines externen elektrischen Feldes konnten zeitabhängige Änderungen der Leitfähigkeit von über 3 Größenordnungen beobachtet werden. Um dieses Phänomen zu erklären wurde ein Modell entwickelt, in dem die langsame Umverteilung von Ladungen an der Oberfläche, externen elektrischen Feldern entgegenwirkt. Das Zusammenspiel von elektrostatischem Gating und Trap-Besetzung kann einen Transportzustand bewirken, in dem Elektronenleitung für einige Minuten dominierend ist, was durch die Beobachtung eines negativen differentiellen Widerstandes belegt werden konnte. Tieftemperaturmessungen bestätigten die vorhergesagten kinetischen Barrieren und zahlreiche optische Untersuchungen zeigten ein dynamisches Verhalten wie es von Oberflächenstörstellen in GeOx zu erwarten ist. Optische Messungen wurden an einem speziell entwickeltem Aufbau mit spektral durchstimmbaren Laser und Lock-In Verstärker durchgeführt. Dabei konnte eine in Ge Nanodrähten bisher unerreichte optische Verstärkungen von über 10 7 gezeigt werden. Dies wurde, in Übereinstimmung mit Literaturberichten, auf das effektive Trapping von lichtgenerierten Ladungsträgern an der Oberfläche zurückgeführt. Es konnte außerdem nachgewiesen werden, dass diese hohe Sensitivität für das gesamte sichtbare Spektrum und für Modulationsfrequenzen bis zu 10 kHz aufrecht erhalten bleibt. Durch systematische Reduzierung der Kanallängen konnten Photodetektoren mit Strukturgrößen unterhalb der Beugungsgrenze des einfallenden Lichtes hergestellt werden.

Low dimensional nanostructures such as semiconductor nanowires (NW) have recently attracted increasing attention for their potential use as photodetectors in future optical on-chip interconnectors. In particular, germanium (Ge) may be a promising material, due to its CMOS compatibility and exceptional electrical and optical properties. However, the application of Ge NWs as highly sensitive photoconductive elements has been largely overlooked up till now. This work is dedicated to the systematic study of the electro-optical properties of vapor-liquid-solid (VLS) grown Ge NWs. Therefore, monolithic Al-Ge-Al NW heterostructures featuring abrupt interfaces and reliable high-k passivation were established during the course of this thesis. The employed fabrication techniques thereby allowed for the formation of ultrasmall Ge segments without being limited by the alignment of a lithography tool. For such NW systems integrated in back gated field effect transistors, transfer characteristics revealed p-type behavior, which is attributed to trapping effects at the surface. Further, by controlling the charge carrier density through electrostatic gating, a time-dependent change in conductivity over more than 3 orders of magnitude could be observed, with relaxation times in the range of several minutes. To explain this phenomenon, a model was developed in which the slow redistribution of surface charges compensates external electrical fields on the longterm. It was shown that the interplay of electrostatic gating and trap population can cause the charge transport to be electron dominated for several minutes, which was substantiated by the observation of negative differential resistance (NDR) in this regime. Further, low temperature measurements confirmed the proposed kinetic trapping barriers and numerous optical experiments demonstrated dynamic behavior as expected from trapping time constants of surface states in GeOx. Optical experiments were carried out by using a specifically designed measurement setup featuring a spectrally tunable laser source and a lock-in amplifier. Investigations revealed photoconductive gains exceeding 10 7, which is, to the best of my knowledge, the highest ever reported in Ge NWs. In agreement with literature, this was attributed to the photo-enhanced trapping of charge carriers at the surface. Moreover, this high sensitivity remains effective for the whole visible spectral range and for modulation frequencies up to 10 kHz. By systematically reducing channel lengths, ultrasmall photodetectors could be established with feature sizes far below the diffraction limit of incident light.