Electrical and electro-optical characterization of novel Si/GaAs nanowire heterostructures

Abstract

Unter Einhaltung des Mooreschen Gesetz wurden im letzten halben Jahrhundert elektrische Bauelemente konstant zugunsten von Leistung, Energieeffizienz und Kosten verkleinert. Schon in naher Zukunft jedoch werden vermutlich die physikalischen Grenzen der konventionellen Halbleitertechnologie erreicht sein, wodurch eine Leistungssteigerung von Bauteilen nur mehr durch die Verwendung neuer Bauteilkonzepte und Materialkombinationen möglich sein wird. Quasi eindimensionale Nanodrähte zählen zu den vielversprechendsten Nanostrukturen für zukünftige Bauteile. Obwohl bereits eine große Anzahl an Bauelementen mit diesen neuen Strukturen hergestellt wurde, steht eine industrielle Anwendung noch immer vor großen Hürden. Massenproduktion erfordert sowohl eine präzise Kontrolle des Nanodraht-Wachstums, der Dotierung und die gezielte Bildung von Heterostrukturen in Nanodrähten, als auch die Kompatibilität zum Trägermaterial Silizium. Speziell für optoelektronische und Hochfrequenzanwendungen sind Materialien mit hoher Ladungsträgermobilität und einem direkten Bandübergang von großer Bedeutung. Da zahlreiche III-V Halbleiter genau diese Eigenschaften zeigen, wird stets versucht Heterostrukturen mit Si und III-V Halbleitern herzustellen. Erst kürzlich wurde gezeigt, dass die monolithische integration von InAs/Si Heterostrukturen in VLS gewachsenen Si Nanodrähten mittels Ionenimplantation und anschließender Blitzlampentemperung möglich ist. In der vorliegenden Diplomarbeit werden Si/GaAs Heterostrukturen analysiert, welche auch mit Ionenimplantation und Blitzlampentemperung hergestellt wurden. TEM Untersuchungen zeigen einkristalline Rekristallisation der Nanodrähte in (111)-Richtung, welche vermutlich durch Millisekunden-Flüssigphasenepitaxie erfolgt. Aufgrund der hohen Anzahl an eingebrachten Fremdatomen und den hohen Diffusionskoeffizienten von Ga und As in -üssigem Si, kommt es bei der Rekristallisation zur Ausbildung von GaAs Segmenten innerhalb des Siliziumnanodrahtes. Einige Nanodrähte enthalten keine GaAs Segmente, in anderen bilden sich kleine Kristallite mit Längen von ungefähr 20 - 100 nm und manchmal bilden sich zuällig große GaAs Segmente mit Längen bis zu 1 µm und zusätzlicher Ga Ausfällung. Diese Ausfällungen führen zur Bildung eines Schottky Kontakts zwischen metallischem Ga und GaAs mit einer Höhe von 231 - 326 meV und daher zu gleichrichtendem Verhalten. Im Gegensatz dazu kommt es bei Einschluss eines kleinen Kristalliten zur Ausbildung einer sehr kleinen Barriere am Si/GaAs Übergang (ca. 48 meV ), welche aus einer Einschnürung der Verarmungsschicht im GaAs resultiert. Die elektrische Kennlinie eines solchen Bauteils weist daher ein nichtlineares, fast symmetrisches Verhalten auf. Andererseits zeigen Nanodrähte ohne Kristallite eine sehr niederohmige Charakteristik, welche auf eine ausgeprägte Dotierung zurückzuführen ist. Raman Messungen weisen auf Verspannungen bis zu 1% an den Heteroübergängen hin, welche aus den unterschiedlichen Gitterparameter von Si und GaAs resultieren. Aufgrund der Rekristallisation durch Flüssigphasenepitaxie ist anzunehmen, dass eine große Anzahl an Defektzentren in der Struktur eingebaut ist, wodurch eine breite Photolumineszenz bei niedrigeren Energien als jene der Bandlücke von GaAs gezeigt wurde. In weiteren Untersuchungen der Heterostrukturen konnte auch Elektrolumineszenz gemessen werden. Durch Stoßionisation wird dabei eine große Anzahl hochenergetischer Ladungsträger generiert, welche entweder zu Interband-Emission bei höheren Energien oder Intraband-Emission bei niedrigeren Energien führen kann.

In order to satisfy Moore-s law during the past half century, feature sizes of electronic devices were constantly reduced on behalf of performance, power and cost. In the near future however, physical limitations will be reached by conventional semiconductor technologies, so that new device architectures and material combinations will be essential for further improvement of electronic and optoelectronic devices. Quasi one-dimensional nanowires are one of the most promising nanostructures for future devices. Although plenty of devices have been realized utilizing these novel structures, device integration on an industrial scale still faces quite a number of obstacles. Such large scale integration requires the precise control of nanowire growth, doping and the formation of heterostructures as well as the compatibility of materials with mature silicon technology. Especially for optoelectronic and high-speed nanoelectronic applications, the utilization of materials with high electron mobility and direct bandgap is crucial. Since various III-V semiconductors exhibit these properties, great efforts are made to combine these materials with silicon. Recently the monolithic integration of InAs/Si heterostructures in VLS grown Si nanowires by ion implantation and -ash lamp annealing has been successfully demonstrated. In the present work, Si/GaAs nanowire heterostructures, also formed by ion implantation and subsequent -ash lamp annealing are investigated. TEM analyses proof a monocrystalline recrystallization of the nanowires in (111)-direction, which is supposed to be due to millisecond-range liquid phase epitaxy. Thereby, due to the large amount of introduced impurities and the high diffusion coefficients of Ga and As in liquid Si, GaAs segments form within the Si nanowire. Some nanowires do not contain GaAs segments, some contain small crystals with approximately 20 - 100 nm in length, and other contain large GaAs sections up to more than 1 µm with adjacent precipitations of Ga. These precipitations of metallic Ga within the semiconducting nanowire lead to the formation of a Schottky contact between Ga and GaAs with a barrier height in the range of 231 - 326 meV and hence to rectifying behavior of the device. The inclusion of a small crystallite gives rise to a Si/GaAs heterostructure with a very small barrier of approximately 48 meV. This seems to be due to depletion layer con-nement and results in a nonlinear, almost symmetric electrical characteristic. On the contrary wires not containing any crystallite exhibit a distinct low-ohmic behavior which is due to pronounced doping of Si. Raman measurements suggest strains at the heterojunction through lattice mis-ts of up to 1%. PL was observed at energies below the bandgap of GaAs. Due to the liquid phase epitaxy recrystallization of the nanowire it is assumed, that a large amount of defect centers is incorporated in the heterostructure, leading to photoluminescence observed at lower energies than the bandgap of GaAs. Further, electroluminescence of the Si/GaAs nanowire heterostructure was observed at the Schottky junction. The light emission is a result of impact ionization, which leads to generation of a large amount of high energetic carriers, giving rise to either interband mission with spectral features at high energies or intraband emission at lower energies.