Photo- und Elektrolumineszenzuntersuchungen an ultradünnen Silizium Nanowires

Abstract

Silizium dominiert seit vielen Jahrzehnten die Halbleiterindustrie. Seine große Verfügbarkeit und die einfache Herstellung eines isolierenden Oxides machen Silizium zum idealen Kandidaten für die Mikro- und Nanoelektronik. Betrachtet man den Bereich der Photonik bzw. Optoelektronik, werden jedoch andere Halbleitermaterialien benutzt. Hauptsächlich kommen III-V-Verbindungen zum Einsatz. Diese haben im Vergleich zu Silizium den entscheidenden Vorteil einer direkten Bandlücke, welche einen schnellen strahlenden Übergang der Ladungsträger und somit eine große Lumineszenzeffizienz erlaubt. Man ist deshalb schon lange bemüht, Silizium als effektiven Lichtemitter nutzen zu können. Als ultimatives Ziel wird eine ganzheitliche Integration von elektronischen und photonischen Komponenten auf einem Silizium-Chip angestrebt. Die Kostenreduktion bei der Prozessierung ist nur einer von vielen Vorteilen, welche sich dadurch bieten würden. In dieser Diplomarbeit wird der Fokus ausschließlich auf den Elementhalbleiter Silizium gelegt. Ziel ist es durch eine Nanostrukturierung sogenannte Silizium Nanowires herzustellen. Somit sollen sich neue optische Eigenschaften zeigen, welche Silizium von Natur aus nicht besitzt. Die Silizium Nanowires werden durch ein spezielles Ätzverfahren hergestellt - dem metallunterstützten chemischen Ätzen - welches einige entscheidende Vorteile gegenüber dem bekannten VLS-Mechanismus besitzt. Nach einer Nachbearbeitung der Nanowires mit einem Hochtemperaturschritt konnte eine Photolumineszenz im nahen Infrarotbereich festgestellt werden. Zusätzlich wurde eine Leuchtdiode fabriziert. Dabei formen p-dotierte Silizium Nanowires mit einem transparenten elektrisch leitfähigen Oxid einen p-n-Übergang. Durch Anlegen einer Spannung werden Ladungsträger injiziert und eine mit freiem Auge feststellbare Elektrolumineszenz entsteht. Als Ursachen der Photo- und Elektrolumineszenz werden "Quantum Confinement" und Oberflächen- bzw. Grenzflächeneffekte vermutet. Des Weiteren kann auch durch den tzprozess sich bildendes poröses Silizium einer der möglichen Gründe der Lumineszenz sein.

Silicon is dominating the world of semiconductors since decades. Its high availability and the simple forming of an isolating oxide makes silicon the ideal candidate for micro- and nanoelectronics. However, in the field of photonics and optoelectronics, other materials are used, mainly III-V-compounds. In contrast to silicon, they provide the big advantage of a diret bandgap. Therefore, fast radiative recombination of carriers is possible wich enhances the luminescence efficiency considerably. The ultimate goal is the monolithic integration of electronic and photonic components into one silicon chip. Manufactur cost reduction is only one of many advantages. The focus in this master thesis is mainly on the elementary semiconductor silicon. The aim is to produce silicon nanowires with emerging optical properties in comparison to bulk silicon. These nanowires are fabricated with the help of a special etching method, namely metal assisted chemical etching. This method has important benefits against the well known VLS mechanism. After post-processing with high temperature steps, photoluminescence in the near infrared is observable. In addition, a light emitting diode was fabricated. P-doped silicon nanowires and a transparent conductive oxide form a p-n-conctact. By applying voltage, charge carriers are injected and electroluminescence is discoverd, which is clearly visible with the naked eye. As the main reasons for the photoluminescence and electroluminescence, quantum confinement, surface and interface effects and porous silicon structures are considered.