Strain engineering in intrinsic silicon nanowires using MEMS devices

Abstract

"Strain engineering" in Silizium hat eine mehr als sechzig jährige Tradition. Schnell stellte sich heraus, dass die Piezoresistivität von Silizium, i.e. die Widerstandsänderung unter Verspannung, zehn bis zwanzigfach höher ist als in zum Beispiel Metallen. Diese Erkenntnis machte Silizium zu einer viel versprechenden Alternative als Dehnungsmesser mit hoher Sensitivität. Verspanntes Silizium wurde des Weiteren ein etabliertes Hilfsmittel um die Mobilität und dadurch die Leistungsfähigkeit von Silizium Transistoren zu verbessern. Mit der stetigen Miniaturisierung von Siliziumstrukturen erweiterten sich in den letzten zehn bis fünfzehn Jahren die wissenschaftlichen Untersuchungen auf Silizium Nanodrähte. Die in den Nanodrähten gefundenen atypischen Effekte wie die anormale Piezoresistivität und die Riesen-Piezoresistivität haben das Potential verdehnungssensitive Sensoren dramatisch zu verbessern. Während dotierte Nanodrähte in den letzten Jahren intensiv untersucht wurden, ist das piezoresistive Verhalten von intrinsischen Nanodrähten weitgehend vernachlässigt worden. In dieser Dissertation wird die Piezoresistivität von VLS gewachsenen intrinsischen Siliziumnanodrähten unter verschiedenen äußerlichen Einflüssen untersucht um Einblick in den Ursprung der anormalen Piezoresistivität in diesen Nanodrähten zu gewinnen. Elektrische Messungen an Nanodrähten unter Verspannung benötigen genaue und zuverlässige mechanische Charakterisierung, welche wiederum die Entwicklung von neuartigen Experimental-Verdehnungseinrichtungen benötigen. Eine solche Einrichtung wurde durch die Anwendung der MEMS Technologie gefunden. In dieser Arbeit wird der Entwurf und die Fertigung einer elektrostatisch aktuierten Verdehnungseinrichtung (EASD) gezeigt, welche Piezoresistivitätsmessungen in-situ im Rasterelektronenmikroskop, unter kryogenen Bedingungen und im Raman Spektroskopie Aufbau ermöglicht. Des Weiteren werden zwei Arten zur Nanodraht- Integration in die EASD demonstriert, die monolithische Integration und die Integration durch ablegen und fixieren des Nanodrahtes. Räumlich aufgelöste nichtinvasive Messungen der am Nanodraht anliegenden tensilen Verspannung wurden mit Hilfe der Ramanspektroskopie durchgeführt. Aufgrund des ausgereiften Designs der EASD konnten hohe Verspannungen erzielt werden, welche die Messung der Nanodraht-Piezoresistivität bis zur Bruchspannung des Nanodrahtes ermöglichten. Messungen an Atmosphäre zeigten ein anomales piezoresistives Verhalten der intrinsischen Siliziumnanodrähte, i.e. intrinsische Nanodrähte mit urpsprunglichem p-Typ Verhalten zeigten mit steigender Verspannung n-Typ piezoresistives Verhalten. Kryogene Messungen im Vakuum verifizierten eine starke Abhängigkeit der Piezoresistivität von den Oberflächenzuständen der <111> orientierten Nanodrähte. Dieses Verhalten ist das Resultat einer durch Verdehnung verursachten Modifizierung des Oberflächenpotentials welche zu einer Ausschüttung der Elektronen aus den Oberflächenzuständen führt. Die daraus erfolgende Änderung der Ladungsträgermajorität führt zu einem geänderten piezoresistiven Verhalten des Nanodrahtes. Für piezoresistive Messungen an einem <111> orientierten Nanodraht unter 532 nm Laseranregung wurde ein, von einer Kombination aus p- und n-Typ piezoresistiven Effekt dominiertes piezoresistives Verhalten beobachtet. Oberflächen bezogene Effekte spielten nur eine untergeordnete Rolle. Der auftretende Photostrom zeigte eine Laserlichtstärken- und Verdehnungsabhängigkeit, i.e. ein steigender Photostrom mit steigender Laserlichtstärke und Verdehnung. Eine Ramanspektroskopieuntersuchung an einem <112> orientierten Nanodraht deckte die Existenz von Domänen polytyper Strukturen im Nanodraht auf, verursacht durch periodische kristalline Versetzungsfehler. Die Resistivität dieses Nanodrahtes war ca. zehnmal kleiner als die Resistivität von <111> orientierten Nanodrähten. Die Piezoresistivitätsmessung zeigten nur eine schwache Abhängigkeit von oberflächenbezogenen Effekten. Durch seine Einsatzflexibilität erwies sich die EASD als exzellente "strain engineering" Plattform für Experimente unter hoher Verspannung.

Strain engineering in silicon has a long tradition for more than sixty years. Soon it turned out that the piezoresistivity of silicon, i.e. the change of resistance under strain, is ten to twenty times higher than in e.g. metals. This finding made silicon a promising alternative for strain gauges with high sensitivity. Strained silicon became also an established expedient to increase the mobility and thus the performance of silicon transistors. With the steady miniaturization of silicon structures, in the last ten to fifteen years, research activities were expanded on silicon nanowires. Atypical effects found in nanowires like anomalous- and giant piezoresistivity have the capability to improve strain sensitive sensors dramatically. While doped nanowires have been intensely investigated in the last years, the piezoresistive behavior of intrinsic silicon nanowires was mostly neglected. In this thesis the piezoresistivity of VLS grown intrinsic silicon nanowires is investigated under several measurement conditions to gain insight into the origin of the anomalous piezoresistive effect in such nanowires. Strain related electrical measurements on nanowires require an accurate and reliable mechanical characterization, which in turn requires the development of novel experimental strain engineering platforms. Such a platform was found in utilizing MEMS technology. In this work the design and manufacturing of an electrostatic actuated straining device (EASD) is presented which allows piezoresistive measurements in-situ in the scanning electron microscope, under cryogenic conditions and in the micro-Raman spectroscopy setup. Furthermore two different methods of nanowire integration into the EASD, i.e. monolithic- and "pick and place"-integration, are demonstrated. Spatial resolved noninvasive probing of the tensile strain applied to the nanowire was employed with micro-Raman spectroscopy. Due to the sophisticated design of the EASD, high strain levels can be achieved, enabling measurements of the nanowire piezoresistivity up to the fracture strain of the nanowire. Measurements under ambient conditions exhibited an anomalous piezoresistive behavior of intrinsic silicon nanowires, i.e. although the nanowire appears to be p-type, the nanowire exhibits n-type piezoresistive behavior with increasing strain. Cryogenic measurements in vacuum verified the strong dependency of the piezoresistivity on surface traps in <111> oriented silicon nanowires. This behavior is a result of a strain induced modulation of the surface potential, leading to an electron depopulation of the surface traps. The resulting change of the charge carrier majority type leads to the altered piezoresistive behavior of the nanowire. For piezoresistive measurements of the <111> oriented nanowire under 532 nm laser excitation, a piezoresistive behavior dominated by a combination of the nand p-type piezoresistive effects, was observed. Surface related effects played only a minor role. The occurring photo current exhibited a laser power and strain dependency, i.e. increasing laser power as well as strain increased the photo current in the nanowire. A Raman spectroscopy investigation of a <112> oriented nanowire revealed the existence of polytype structure domains inside the nanowire caused by periodic crystalline stacking faults. The resistivity of this nanowire was about ten times smaller compared to the resistivity of <111> oriented nanowires. The piezoresistive measurement exhibited only a weak dependency on surface related effects. Due to its versatility the EASD proved to be an excellent strain engineering platform for high strain experiments.