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Dimensional Effects in Semiconductor Nanowires
Nanomaterialien zeichnen sich durch neuartige physikalische Eigenschaften aus, die durch ihre Morphologie und GröĂe bestimmt sind. Diese neuen Eigenschaften lassen sich zumeist auf das groĂe OberflĂ€chen-zu-VolumenverhĂ€ltnis, auf GröĂenquantisierungseffekte oder auf eine Formanisotropie zurĂŒck fĂŒhren. Diese neuen Eigenschaften eröffnen neue Anwendungsfelder. In dieser Arbeit werden Untersuchungen an HalbleiternanodrĂ€hte vorgestellt, deren Durchmesser im Bereich 4 bis 400 nm liegt und deren LĂ€nge bis zu 100 ”m betrĂ€gt. Bei den untersuchten Halbleitermaterialien handelt es sich vorwiegend um Zinkoxid (ZnO), Zinksulfid (ZnS) sowie Galliumarsenid (GaAs). Alle NanodrĂ€hte wurden entsprechend dem Vapor-Liquid-Solid-Mechanismus in verschiedenen Prozessen hergestellt, der ursprĂŒnglich fĂŒr das Wachstum von Silizium-NanodrĂ€hten postuliert wurde. Entsprechende Abwandlungen fĂŒr die verwendeten Verbindungshalbleiter werden diskutiert. Detaillierte Lumineszenzuntersuchungen an ZnO-NanodrĂ€hten als Funktion des Drahtdurchmessers zeigen deutliche GröĂeneffekte, die auf die oben genannten Ursachen zurĂŒckgefĂŒhrt werden. Zur weiteren Funktionalisierung der NanodrĂ€hte ist, wie bei Volumenmaterial, oft eine Einstellung der Materialeigenschaften notwendig. Dies wird typischerweise durch eine Dotierung des Ausgangsmaterials mit Fremdatomen erreicht. Es zeichnet sich ab, dass eine kontrollierte Dotierung wĂ€hrend des Wachstums aufgrund des komplexen Mechanismus wenig erfolgreich ist. Hier wird eine alternative Methode gewĂ€hlt: die Dotierung durch Ionenimplantation nach dem Wachstum. Im Detail wird die Dotierung von ZnO- und ZnS-NanodrĂ€hten mit Leuchtzentren (Mangan und Lanthanoiden) demonstriert. Hier zeigt insbesondere die intra-3d-Lumineszenz von implantierten Mangan in ZnS-Nanostrukturen eine deutliche AbhĂ€ngigkeit von dem Durchmesser und der Morphologie der Nanostrukturen. Diese AbhĂ€ngigkeit kann durch die Erweiterung des Förstermodells, das den Energietransfer zu den Leuchtzentren beschreibt, um einen Dimensionsparameter beschrieben werden. Desweiteren wurden GaAs-NanodrĂ€hte mit Zinkionen impantiert. In elektrischen Messungen an einzelnen NanodrĂ€hten konnte eine Erhöhung der LeitfĂ€higkeit um vier GröĂenordnungen gezeigt werden, was auf eine erfolgreiche p-Dotierung zurĂŒckgefĂŒhrt wurde. Eine gewisse Problematik bei der Ionenimplantation stellt die Erzeugung von Kristalldefekten dar, die bei dem Eindringen der Ionen in den Festkörper entstehen. Diese Defekte mĂŒssen zunĂ€chst ausgeheilt werden, um eine Aktivierung der eingebrachten Dopanden zu erreichen. Bei der Ionenbestrahlung mit hohen Fluenzen und groĂen Ionenmassen fĂ€llt zudem auch der Abtrag von OberflĂ€chenatomen, der sogenannte Sputtereffekt, ins Gewicht. Dieser fĂŒhrt zu einer charakteristischen VerĂ€nderung der Morphologie der NanodrĂ€hte. In einem lithographischen Prozess wurden ZnO-NanodrĂ€hten zu Feldeffekttransistoren prozessiert. Elektrische Untersuchungen zeigen, dass Elektronen MajoritĂ€tsladungstrĂ€ger in den NanodrĂ€hten sind. AbhĂ€ngig von der Morphologie und dem Herstellungsprozess werden LadungstrĂ€gerkonzentrationen von 1020 cm-3 und MobilitĂ€ten bis zu 4800 cm2/(Vs) beobachtet. SchlieĂlich wird ein einfacher Prozess vorgestellt, in dem ZnO-NanodrĂ€hte in einer skallierbaren Methode zu Leuchtdioden prozessiert werden können. Die Elektrolumineszenz der Nanodrahtdiode ist energetisch im Bereich der BandlĂŒcke von ZnO anzusiedeln und wird durch eine Tunnelinjektion von Löchern aus einem p-Siliziumsubstrat in die ZnO-NanodrĂ€hte erreicht. DasLicht tritt hauptsĂ€chlich an den Enden der NanodrĂ€hte aus. Somit ist die Lichtquelle durch den Durchmesser der DrĂ€hte bestimmt
High-performance ZnO Nanowire Field Effect Transistors
ZnO nanowires with high crystalline and optical properties are characterized, showing strong effect of the surface defect states. In order to optimize the performance of devices based on these nanowires, a series of complementary metal-oxide semiconductor compatible surface passivation procedures is employed. Electrical transport measurements demonstrate significantly reduced subthreshold swing, high on/off ratio, and unprecedented field effect mobility. © 2006 American Institute of Physics
Scalable Fabrication of Nanowire Photonic and Electronic Circuits Using Spin-on Glass
We present a method which can be used for the mass-fabrication of nanowire photonic and electronic devices based on spin-on glass technology and on the photolithographic definition of independent electrical contacts to the top and the bottom of a nanowire. This method allows for the fabrication of nanowire devices in a reliable, fast, and low cost way, and it can be applied to nanowires with arbitrary cross section and doping type (p and n). We demonstrate this technique by fabricating single-nanowire p-Si(substrate)ân-ZnO(nanowire) heterojunction diodes, which show good rectification properties and, furthermore, which function as ultraviolet light-emitting diodes