Growth and characterisation of III-V nanowire heterostructures integrated on Si

Abstract

Nanodrähte aus Halbleitern werden weithin als Bausteine für zukünftige optoelektronische Bauelemente angesehen. Nanodraht-Heterostrukturen, die aus III-V Materialien aufgebaut sind und dadurch eine direkte elektronische Bandlücke aufweisen, sind besonders interessant. Die monolithische Integration auf Si k önnte eine L ösung für viele der heutigen Probleme im Bereich der Si Photonik, beispielweise optische on-chip Kommunikation, anbieten. Das Wachstum der Heterostrukturen mit Gitterfehlanpassung ist für Nanostrukturen erleichtert, was neue Möglichkeiten in Form von Bandstruktur-Design, auch mit technisch vorteilhaften Materialien wie InGaAs, erschließt. Außerdem können III-V Nanodrähte in einer neuen Kristallstruktur wachsen, die nicht im 3D-Wachstum beobachtet wird, was zu einem neuen Forschungsgebiet im Bereich des Kristallphase-Designs führt. Während dieser Dissertation wurden verschiedene Aspekte der Integration von III-V Nanodrähten auf Si erforscht. Zu Beginn wurde ein Material, das als Kandidat um Verspannungen in III-V Heterostrukturen zu erzeugen gilt, BGaAs, zum ersten Mal in Form von Nanodrähten gewachsen und charakterisiert. Das Hinzufügen von Bor hat die Morphologie der Nanodrähte stark verändert, was mit Elektronenmikroskopie bestätigt wurde. Dieses Verhalten wurde durch die Modellierung des Wachstums auf eine Senkung der Oberächenmobilität der Ga Adatome zurückgeführt. Elektrische Kontakte wurden mit konventioneller optischer und Elektronenstrahllithographie gebildet, um die elektronischen Eigenschaften der Nanodrähte zu erkunden. Die mit B (Bor) gewachsenen Nanodrähte wiesen p-Leitfähigkeit auf, was von der Inklusion der BAs Atome stammt, die als zweifach geladene Akzeptoren fungieren. Ohmsche Kontakte zu diesem Material konnten einfach hergestellt werden, was eine änderung der Nanodrahtoberächenchemie zeigt. Nanodrähte aus radialen Heterostrukturen mit InGaAs Quantent öpfen wurden durch Raumund Tieftemperatur Photolumineszenz-Spektroskopie untersucht. Die Emission der Quantentöpfe, die näher am Kern des Nanodrahts sind, war auf Grund von tensiler Verspannung blauverschoben; weiter außenliegende Quantent öpfe zeigten bessere Spannungsrelaxation und deshalb weniger Blauverschiebung. Generell hängt das Verhalten der Ladungsträger in solchen Nanodrähten vom Spannungsprofil ab, das stark von der Position der Quantentöpfe abhängt. Zusätzlich wurde die Lokalisierung der Ladungsträger sowie die Emissionspolarisierung an den Kristallphasengrenzächen beobachtet. Abschließend wurde das Wachstum von Focused Ion Beam-nukleierten Nanodrähten auf Si demonstriert. Die Nanodrähte wachsen vorzugsweise auf Punkten die mit Ga+-Ionen implantiert sind, mit einer maximalen aktuellen Ausbeute von 93% pro Array. Diese Methode könnte für flexibles, maskenloses, selektives Wachstum von Nanodrähten verwendet werden. Mehrschalige Nanodrähte, die durch diese Methode nukleiert wurden, sind optisch aktiv, was auf eine hohe Materialqualität hinweist.

Semiconductor nanowires are widely considered to be some of the building blocks of future optoelectronic devices. Nanowire heterostructures composed of direct-bandgap III-V materials are particularly interesting. Their direct integration on Si oers a solution to many of the problems faced in the current eld of Si photonics, such as optical interfacing. The growth of lattice-mismatched heterostructures is facilitated in nanostructures, opening up new possibilities in terms of band structure engineering using technologically favourable materials such as InGaAs. Finally, III-V nanowires can grow in crystal structures not observed in the bulk, leading to new research into crystal phase engineering. In this thesis, several aspects of the integration of III-V nanowires on Si were explored. Firstly, a candidate material for strain engineering in III-V heterostructures, BGaAs, was grown and characterised for the rst time in nanowires. The addition of boron was found to have a strong influence on the nanowire morphology, observed with electron microscopy and attributed via modelling to a reduced Ga adatom diffusion length during growth. Via contacts formed with a mixture of conventional and electron-beam lithography, the electrical properties of these nanowires could be explored. Nanowires exhibited p-type conductivity due to the incorporation of B on antisite defects acting as doubly-charged acceptors. Ohmic contacts could be readily formed to GaAs nanowires containing B, pointing to an additional influence on their surface chemistry. Radially heterostructured nanowires containing InGaAs quantum wells were investigated via roomand low-temperature photoluminescence measurements. It was demonstrated that tensile strain in quantum wells positioned closer to the nanowire core blueshifted emission, while strain relaxation occurs in quantum wells closer to the surface. This modifi es the carrier dynamics of core-multishell, multi-quantum well structures. In addition, carrier localisation and a change in emission polarisation was observed at crystal phase interfaces. Finally, the positioned growth of nanowires nucleated on Ga points formed by focused ion beam implantation was demonstrated, reaching a yield of up to 93% per array. This offers a flexible, maskless route to directed nanowire growth. Quantum well nanowires grown via this method were found to be optically active and comparable to their randomly grown neighbours, indicating a high material quality.