Exploration of the anomalous piezoresistive effect in VLS grown Si nanowires

Abstract

Die Beeinflussung von Materialeigenschaften durch mechanische Verspannungen bietet im Bereich der Halbleitertechnik die Möglichkeit die Effizienz von Bauelementen zu steigern. Bei Halbleitermaterialien mit makroskopischen Abmessungen ist der Grad der Verspannung durch eine relativ niedrige Bruchspannung begrenzt. Bei Strukturen mit Abmessungen im Nanometer-Bereich hat sich hingegen gezeigt, dass sich Defekte in der Kristallstruktur erst bei wesentlich höheren Belastungen bilden. Die Verspannung eines Halbleiters ändert dessen Bandstruktur und beeinflusst damit auch einige seiner charakteristischen physikalischen Eigenschaften wie die effektive Masse, die Ladungsträgermobilität und die Dichte der Ladungsträger im Kristall. Durch variieren der Verspannung einer Halbleiter-Nanostruktur erhält man somit einen weiteren Freiheitsgrad für die Abstimmung des Energiebandes auf spezielle elektrische und opto- elektrische Anwendungsgebiete. Obwohl die Effekte der Verspannung in Silizium in den letzten Dekaden intensiv untersucht wurden, sind die physikalischen Hintergründe teilweise noch geklärt. Die Ursachen für einen, in Si Nanodrähten auftretenden, gigantischen und anomalen piezoresistiven Effekt, welcher von He et al. beobachtet wurde, wird noch immer heftig diskutiert. Untersuchungen haben kürzlich ergeben, dass aufgrund des hohen Oberfläche zu Volumen Verhältnisses bei Nanostrukturen, ein starker Einfluss von Oberflächeneffekt besteht welcher sich den materialspezifischen Eigenschaften des Halbleiters überlagert. In dieser Dissertation wird einführend ein kurzer Überblick über das "vapor-liquid-solid" (VLS) Wachstumsverfahren von Si Nanodrähten gegeben, mit speziellem Augenmerk auf deren monolithische Integration in ein Zugspannungs-Modul. Verschiedene Formen des Moduls, als auch deren Fertigung werden erklärt. Der Aufbau des Moduls wird optimiert um das Zusammenspiel zwischen den piezoresistiven Effekten und Veränderungen von Oberflächenpotentialen, hervorgerufen durch die Verspannung des Nanodrahtes, zu untersuchen. Diese Zugspannungsmodule bilden die Grundlage zur Erforschung von Veränderungen der elektrischen und opto-elektrischen Eigenschaften hervorgerufen durch Verspannungen von Si Nanodrähten. Messungen von nominell undotierten, VLS gewachsenen Si Nanodrähten mit p-dotiertem Verhalten zeigen ein anomales piezoresistives Verhalten. Dieses Verhalten stimmt nicht mit den theoretisch berechneten Werten für Si mit makroskopischen Abmessungen überein. Anstelle einer konstanten Änderung des Widerstandes über den gesamten Bereich der Verspannung kann diese in drei Teilbereiche mit unterschiedlichem Verhalten unterteilt werden. Um den Zusammenhang zwischen dem anomalen piezoresistiven Verhalten und der, sich mit der Verspannung verändernden Oberflächenladung zu klären ist das Zugspannungsmodul erweitert worden. Der Einfluss verschiedener Materialien zur Oberflächenpassivierung wird untersucht. Messergebnisse beweisen den starken Einfluss von Oberflächeneffekten und zeigen, dass der "echte" piezoresistive Effekt überlagert wird und dadurch die Unterscheidung der einzelnen Teileffekte schwierig ist. Durch eine weitere Abscheidung eines Gate- Materials auf dem TSD wird ein, von allen Seiten gesteuerter Nanowire Feldeffekt-Transistor gebildet. Dieses Modul ermöglicht nun die Vermessung eines Nanodrahtes unter verschiedenen Verspannungen und Steuerspannungen. Die Verwendung eines optisch transparenten Dielektrikums und ITO als Gate-Material ermöglicht sowohl die elektrische Charakterisierung als auch die direkte Messung der Verspannung des Nanodrahtes mittels µ-Raman Spektroskopie. Durch die Gate-gesteuerte Vermessungen eines einzelnen, uniaxial hochverspannten Nanodrahtes ist es möglich den Ursprung des anomalen piezoresistiven Effekts zu bestimmen. Die Messergebnisse beweisen, dass der "echte" piezoresistive Effekt von Oberflächeneffekten überlagert wird. Durch gezielte Reduzierung und Kontrolle der Oberflächenzustandsdichte konnte nachgewiesen werden, dass die Mobilität der Ladungsträger der ausschlaggebende Faktor für die Veränderung des Widerstandes mit steigender Verspannung ist.

Strain engineering has opened a wide field of possibilities to enhance the performance of semiconductor devices. While for bulk semiconductor materials the maximal load capacity is limited by the quite low fracture limit, nanostructures have proven to sustain much higher strain before defects in the crystal lattice occur. Applying strain to a semiconductor alters its band structure and thereby fundamental physical properties like effective mass, carrier mobility as well as charge carrier density. Thus varying the strain level applied to a nanostructure offers a new degree of freedom for bandgap tuning which is beneficial for precise adjustment to various electrical and optoelectronic applications. Although the various effects of strain on Si were intensively investigated the last few decades, the physical background of some fundamental effect are not cleared completely yet. Especially a giant and anomalous piezoresistive effects in Si nanowires reported by He et al. [1] is still under debate. Recent investigations have shown that due to the high surface-to-volume ratio of nanostructures extrinsic surface related effects superimpose their intrinsic properties. In this thesis a short introductory survey of vapor-liquid-solid (VLS) growth of Si NWs with special concern to the monolithically integration into a tensile straining device (TSD) is given. Several designs of a TSD as well as their fabrication processes are discussed. The design of the device is optimized to enable the investigation of the interplay of piezoresistive effects and stress related surface potential modifications. These TSDs build the base to explore various strain related effects onto the electrical and electro-optical behavior of Si nanowires. Measurements of a VLS grown Si nanowire with unintentionally p-doped behavior show an anomalous piezoresistive behavior. This effect is not consistent with the predicted behavior of bulk material. Instead of the simulated steady increase of resistance over a wide strain range, three regions with different behavior must be distinguished. To clarify the correlation between this anomalous piezoresistive effect and stress related surface charge modulation the TSD setup is modified. Different surface passivation layers are deposited and their influence is investigated. Measurement results show the strong linkage of surface related effects masking 'real' strain related effects. Through further deposition of a gate material onto the TSD, a gate-all-around nanowire field-effect transistor is fabricated. This device allows field modulated measurements under various strain levels. The use of optical transparent dielectric layers and ITO as gate material enables electrical characterization as well as in-situ strain determination by µ-Raman spectroscopy. Through gate modulated measurements on individual, uniaxially strained Si nanowires it is possible to explore the origin of the anomalous piezoresistive effect and even to demonstrate the great influence of surface passivation on the conduction type of an as grown Si nanowire. Measurement results reveal strain related surface charge modulations as the main factor for the 'anomalous' behavior masking the 'true' piezoresistance which is comparable to the theoretical evaluated bulk value. Through control of the nature and density of surface states it is shown that mobility is the dominating factor controlling the charge carrier transport behavior of Si nanowires under strain.