Electronic transport phenomena in Al nanowires and Al-Ge-Al nanowire heterostructures

Abstract

Eine fortschreitende Verbesserung und Miniaturisierung der Bauelemente elektronischer Geräte ist unabkömmlich für einen weiteren Anstieg der Leistungsfähigkeit moderner Informationstechnologie. Nanodrähte stellen ein vielversprechendes Konzept für hohe Integrationsdichten in elektronischen Bauteilen dar. Die Verbindung von Supraleitung mit der reduzierten Dimensionalität von Nanodrähten könnte es erlauben, sowohl den Proximity- als auch den Josephson-Effekt in einem neuen Kontext zu untersuchen. Im Hinblick auf technologische Anwendungen stellt die Beeinflussung von elektronischen Transportphänomenen wie Stoßionisation und negativem differentialem Widerstand eine Möglichkeit dar, Nanodraht-basierte Bauteile mit überragenden Eigenschaften zu realisieren. Einkristalline Al Nanodrähte und Al-Ge-Al Nanodraht Heterostrukturen wurden durch Diffusion von Al in Ge Nanodrähte, welche mit Hilfe des sogenannten VLS Verfahrens gewachsen wurden, hergestellt, was scharfe Al-Ge Übergänge ermöglichte. Elektrische Charakterisierungen wurden von Raumtemperatur bis 100 K und an Al Nanodrähten bis 54.2 mK durchgeführt. Der spezifische Widerstand von Al Nanodrähten bei 300 K wurde zu (131 ± 27) * 10 (-9) Ohm m bestimmt, was etwa dem Fünffachen des Literaturwertes für Al entspricht. Die Al Nanodrähte tolerierten erstaunlich hohe Stromdichten bis zu 1.78 * 10 (12) A m (2). Eine Korrelation zwischen maximaler Stromdichte und dem Durchmesser der Nanodrähte wurde festgestellt. Ein Übergang in einen supraleitenden Zustand in einem Al Nanodraht wurde bei einer Temperatur von 1.46 K beobachtet. Das Restwiderstandsverhältnis betrug 1.45. In Verbindung mit den hergestellten Nanodraht Heterostrukturen könnte dies zur Untersuchung des supraleitenden Proximity-Effekts genutzt werden. In ambipolaren Al-Ge-Al Nanodraht Feldeffekttransistoren wurden negativer differentialer Widerstand und Stoßionisation über einen Temperaturbereich von 100 K bis Raumtemperatur beobachtet. Negativer differentialer Widerstand wird mit dem Transfer von Elektronen zwischen Leitungsband-Minima erklärt. Die Ausprägung der Transportphänomene konnte elektrostatisch kontrolliert werden und war bei tiefen Temperaturen stärker. Zwei Nanodrähte wurden zu einem System verbunden, welches als Stoßionisations-Feldeffekttransistor betrieben werden könnte. Die Möglichkeit, einkristalline, supraleitende Al Nanodrähte herzustellen, könnte eine Grundlage für zukünftige SQUIDs oder Qubits darstellen, welche auf Metall- Halbleiter-Metall Nanodraht Heterostrukturen mit kontrollierbaren Dimensionen basieren. Die vorgestellten Al-Ge-Al Feldeffekttransistoren, welche beeinflussbaren negativen differentialen Widerstand und Stoßionisation über einen großen Temperaturbereich bis zu Raumtemperatur aufwiesen, könnten Bauteile ermöglichen, die negativen differentialen Widerstand mit herkömmlichen oder Stoßionisations-Feldeffekttransistoren kombinieren und hohe Integrationsdichten und einen Betrieb unter Normalbedingungen erlauben.

Continual improvement and miniaturisation of building blocks of electronic devices is crucial to enduringly increase the performance of modern information technology. Nanowires (NWs) present a promising approach for high-density component integration in electronics. Combining the reduced dimensionality of NWs with superconductivity potentially allows studying the superconducting proximity effect or Josephson currents in a new context. With regard to future technological applications, the realisation and control of electronic transport phenomena such as impact ionisation (II) and negative differential resistance (NDR) at ambient conditions may pave the way for NW-based devices with superior electrical characteristics. Single-crystal metal (Al) NWs and metal-semiconductor-metal (Al-Ge-Al) NW heterostructures were fabricated by diffusion of Al into vapour-liquid-solid (VLS) grown Ge NWs, allowing for the formation of abrupt Al-Ge interfaces. Electrical characterisations were performed on Al-Ge-Al NW heterostructures and Al NWs ranging from 300 K to 100 K and 54.2 mK, respectively. The resistivity of Al NWs at 300 K was determined to be (131 ± 27) * 10 (-9) Ohm m, which is about five times higher than the resistivity of bulk Al. Remarkably high failure current densities were observed for Al NWs. A maximum failure current density of 1.78 * 10 (12) A m (2) was measured and a correlation with the diameter of the NWs was established. A transition to a superconducting state was observed in an Al NW at a temperature of 1.46 K. A low residual resistance ratio (RRR) of 1.45 was calculated. In combination with the demonstrated possibility to fabricate Al-Ge-Al NW heterostructures with a tunable Ge segment length, this may allow for studying the superconducting proximity effect in individual NW heterostructures. Clear signatures of NDR and II were obtained over a range of temperatures from 100 K to room temperature in Al-Ge-Al NW field-effect transistors (FETs) with ambipolar transfer characteristics. The observed NDR is attributed to the transferred electron effect. A field-based control mechanism for the occurrence and magnitude of NDR and for the threshold electric field for II was realised. NDR was shown to be more pronounced at lower temperatures. Two heterostructures with independently controllable charge carrier concentrations were combined, realising a configuration that could be operated as an II-based FET. The possibility to fabricate superconducting single-crystal Al NWs may prove important for future devices such as SQUIDs or qubits based on superconducting metal-semiconductor-metal NW heterostructures with readily controllable geometries. The presented Al-Ge-Al NW FETs, which exhibited field-tunable NDR and II over a wide range of temperatures including room temperature, could lead towards devices combining NDR with conventional FETs or II-based FETs, while allowing high integration densities and operation at standard conditions.