Untersuchung und Modellierung des elektrochemischen Porenwachstums in InP mit In-situ-FFT-Impedanzspektroskopieund Monte-Carlo-Simulation

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Wachstumsmechanismen von sogenannten Stromlinien-orientierten Poren (Currentline-Poren) und kristallographischen Poren (Crysto-Poren). Diese Arten von Poren lassen sich elektrochemisch in verschiedenen Halbleitermaterialien ätzen und stellen Extremformen des Porenwachstums dar. Dieses paradigmatische Wachstumsverhalten tritt in III-V-Halbleitern, insbesondere in InP, in Reinform auf. Daher beschäftigt sich diese Arbeit hauptsächlich mit Currentline- und Crysto-Poren in InP. Die in-situ Untersuchung des elektrochemischen Porenwachstums ist generell nahezu unmöglich, da Porenwachstum hauptsächlich an den Porenspitzen stattfindet. Diese sind für klassische Messmethodik in aller Regel unzugänglich, da sie sich weit unterhalb der üblicherweise untersuchten ursprünglichen Grenzfläche der Halbleiterprobe zum Elektrolyten befinden. Neben klassischen elektrochemischen Experimenten, stellt daher die Untersuchung des Porenwachstums mittels der in-situ Meßmethode Fast-Fourier-Transform Impedanzspektroskopie (FFT IS) einen essentiellen Teil dieser Arbeit dar. Für beide Porensorten konnten erfolgreich Messungen durchgeführt und mathematische Fitmodelle entwickelt werden. Die Interpretation beider Modelle lieferte direkte Einsicht in die dem jeweiligen Porenwachstumsmodus zugrundeliegenden physiko-chemischen Prozesse und zeigte deutliche Unterschiede zwischen den Wachstumsmoden auf. Für das Wachstum der Crysto-Poren wurde zudem ein Wachstumsmodell entwickelt, welches das Verzweigen dieser Poren als Wahrscheinlichkeitsprozess beschreibt. Die stochastische Natur dieses Modells erlaubte die Implementation des Modells in eine drei-dimensionale Monte-Carlo-Simulation des Crysto-Poren-Wachstums. Die Simulation konnte das Crysto-Poren-Wachstum in InP verschiedener Dotierung quantitativ sehr gut reproduzieren, ebenfalls konnte sie Crysto-Poren-Domänen, eine spezielle oberflächennahe Struktur, in GaAs simulieren. Der Unterschied im Wachstumsmodus beider Porensorten konnte letztendlich in einem geschlossenen Modell erklärt werden, welches maßgeblich auf dem Grad der Passivierung der Halbleiter-Elektrolyt-Grenzfläche an den Porenspitzen basiert. Im Kontext dieses Modells war es ebenfalls möglich, den Umschlag zwischen den Wachstumsmoden, welcher extern induziert oder selbstinduziert auftreten kann, zu verstehen. Dieser Umschlag stellte bisher eines der großen Mysterien des elektrochemischen Porenätzens dar

Pores in n-Type InP: A Model System for Electrochemical Pore Etching

The growth mechanism of currentline-oriented pores in n-type InP has been studied by Fast-Fourier-Transform Impedance Spectroscopy (FFT IS) applied in situ during pore etching and by theoretical calculations. Several pore growth parameters could thus be extracted in situ that are otherwise not obtainable. These include the space-charge-region (SCR) width, the SCR potential, the capacitance at the pore tips, and the avalanche breakdown field strength. It could be demonstrated that the system adjusts itself in such a way that the potential across the space-charge-region at the pore tips is kept constant within a certain bandwidth of the applied potential. This provides for a constant field strength at the pore tips, ensuring that avalanche breakdown occurs, generating the necessary holes for the electrochemical dissolution of InP

New Applications of Electrochemically Produced Porous Semiconductors and Nanowire Arrays

The growing demand for electro mobility together with advancing concepts for renewable energy as primary power sources requires sophisticated methods of energy storage. In this work, we present a Li ion battery based on Si nanowires, which can be produced reliable and cheaply and which shows superior properties, such as a largely increased capacity and cycle stability. Sophisticated methods based on electrochemical pore etching allow to produce optimized regular arrays of nanowires, which can be stabilized by intrinsic cross-links, which serve to avoid unwanted stiction effects and allow easy processing

Pores in <it>n</it>-Type InP: A Model System for Electrochemical Pore Etching

Abstract The growth mechanism of currentline-oriented pores in n-type InP has been studied by Fast-Fourier-Transform Impedance Spectroscopy (FFT IS) applied in situ during pore etching and by theoretical calculations. Several pore growth parameters could thus be extracted in situ that are otherwise not obtainable. These include the space-charge-region (SCR) width, the SCR potential, the capacitance at the pore tips, and the avalanche breakdown field strength. It could be demonstrated that the system adjusts itself in such a way that the potential across the space-charge-region at the pore tips is kept constant within a certain bandwidth of the applied potential. This provides for a constant field strength at the pore tips, ensuring that avalanche breakdown occurs, generating the necessary holes for the electrochemical dissolution of InP.</p

Macroporous Semiconductors

Pores in single crystalline semiconductors come in many forms (e.g., pore sizes from 2 nm to &gt; 10 µm; morphologies from perfect pore crystal to fractal) and exhibit many unique properties directly or as nanocompounds if the pores are filled. The various kinds of pores obtained in semiconductors like Ge, Si, III-V, and II-VI compound semiconductors are systematically reviewed, emphasizing macropores. Essentials of pore formation mechanisms will be discussed, focusing on differences and some open questions but in particular on common properties. Possible applications of porous semiconductors, including for example high explosives, high efficiency electrodes for Li ion batteries, drug delivery systems, solar cells, thermoelectric elements and many novel electronic, optical or sensor devices, will be introduced and discussed