Quantum confinement and bandgap modification in silicon nanowires

Abstract

Silizium ist eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf unserem Planeten und ist einer der Hauptbestandteile der Mikroelektronik. Obwohl Silizium ein sehr großes Repertoire an positiven chemischen und physikalischen Eigenschaften aufweist, hat es einen großen Nachteil. Die Bandstruktur dieses Elementes erlaubt in seiner "Bulk-Form" keine direkten Bandübergänge, in anderen Worten es hat eine indirekte Bandlücke, was den Einsatz von Silizium für photonische und optoelektronische Zwecke unattraktiv macht. Aus diesem Grund werden für optische Zwecke meist Legierungen aus anderen Halbleitern verwendet, die eine schnelle strahlende Rekombination ermöglichen. Silizium hingegen wird derzeit nur für optische Detektion und photovoltaische Zwecke als Photodetektor oder Solarzelle genutzt. Ein neu entwickeltes metall-katalytisches Ätzverfahren eröffnet neue Optionen in der Prozesstechnik und ermöglicht die Herstellung ultradünner Silizium-Nanowires. Diese nanoskopischen Strukturen erlauben einen Quanteneffekt im Silizium-Kristall, der eine Modifikation des Bandschemas zulässt, um somit Strahlung in verschiedenen Wellenlängen im nahen Infrarot auszusenden. Die Bandlücke kann zusätzlich durch eine weitere Reduktion des Nanowiredurchmessers aufgeweitet werden, was sogar Lichtemission im sichtbaren Spektrum möglich macht. Während konventionelle Leuchtdioden ein schmales, bzw. diskretes Spektrum aufweisen, zeigen diese Nanowires ein breites Spektrum und sind selbst ohne Phosphorschicht in der Lage weißes Licht auszusenden. Diese und andere Aspekte führen zu ganz neuen Möglichkeiten in der Entwicklung neuer optoelektronischer Bauelemente. Diese Diplomarbeit behandelt die Untersuchung, Optimierung und Verwendung dieser neuen Prozesstechnik um einen möglichst hohe optische Aktivität zu erwirken, dabei sollen verschiedene Möglichkeiten in Betracht gezogen werden um die Morphologie der geätzten Strukturen gezielt zu beeinflussen. Es wird die Fertigung von rein Silizium basierten Leuchtdioden beschrieben, die unter Verwendung verschiedener Substrate und Dotierkonzentrationen hergestellt wurden. Zudem wird ein Ausblick auf die Entwicklung einer rein Silizium basierten Optokoppler Sender-Empfänger-Struktur gewährt. Diese hat den großen Vorteil eine optische Datenübertragung auf Chipebene allein durch Silizium zu ermöglichen. Dazu wurde Ergebnisse präsentiert, die für verschiedene Waferarten, als auch verschiedene Oxidationsmöglichkeiten gute Ergebnisse gewährleisten und die Fertigung von lichtemittierenden Siliziumstrukturen in Zukunft vereinfachen sollen. Leuchtdioden sowie Sender-Empfänger-Strukturen wurden gefertigt und untersucht. Obwohl beide Strukturtypen hohe optische Aktivität aufwiesen, zeigte keine Sender-Empfänger-Struktur plausible Messergebnisse.

Silicon is one of the most common elements on our planet and is the essential component used in microelectronics. Whereas silicon has very good chemical and physical properties this element has one major drawback. In its bulk form, its band structure does not allow direct transitions, in other words its bandgap is indirect, which makes silicon unattractive for use in photonic or optoelectronic applications. Therefore other semiconductor compounds have been used to build optical emitters, which promote fast radiative recombination. Silicon has found its place in light detection and photovoltaic purposes as photodetectors and solar panels. A recently developed metal assisted wet chemical etching technique has opened up new possibilities in processing technologies enabling the creation of ultrathin silicon nanowires. These nanoscopic structures allow a bandgap modification through a quantum confinement effect in the silicon crystal structure, that leads to a high optical output in different wavelengths of the near infrared spectrum. Moreover, the band-gap increases as the nanowire diameter is reduced, enabling light emission even in the visible range. Whereas conventional light emitting diodes show a narrow, single wavelength output these nanowires show a broad spectrum capable to emit white light without the need for a conversion layer. Using this and other aspects of their properties leads to new possibilities in optoelectronic device design. The purpose of this thesis is the investigation, optimization and utilization of this new processing technique and to increase optical output using different possibilities to modify the morphology of the etched structures. Furthermore it describes the creation of pure silicon based light emitting diodes using different substrate types and doping levels. It also gives an outlook on how to develop a pure silicon based optocoupler i.e. emitter-detector device. This has the big advantage of only using silicon for optical data transfer on chip level. Several wafer types, doping levels and different oxidation modes were assessed and used for the creation of light emitting diode- and optocoupler devices. The so created guideline should help to achieve best results for the use in different sectors of future microelectronics. Whereas a good light emission was possible with either light emitting diodes- and optocoupler-structures, an emitter-detector device did not show plausible results.