Dimensional Effects in Semiconductor Nanowires

Nanomaterialien zeichnen sich durch neuartige physikalische Eigenschaften aus, die durch ihre Morphologie und Größe bestimmt sind. Diese neuen Eigenschaften lassen sich zumeist auf das große Oberflächen-zu-Volumenverhältnis, auf Größenquantisierungseffekte oder auf eine Formanisotropie zurück führen. Diese neuen Eigenschaften eröffnen neue Anwendungsfelder. In dieser Arbeit werden Untersuchungen an Halbleiternanodrähte vorgestellt, deren Durchmesser im Bereich 4 bis 400 nm liegt und deren Länge bis zu 100 µm beträgt. Bei den untersuchten Halbleitermaterialien handelt es sich vorwiegend um Zinkoxid (ZnO), Zinksulfid (ZnS) sowie Galliumarsenid (GaAs). Alle Nanodrähte wurden entsprechend dem Vapor-Liquid-Solid-Mechanismus in verschiedenen Prozessen hergestellt, der ursprünglich für das Wachstum von Silizium-Nanodrähten postuliert wurde. Entsprechende Abwandlungen für die verwendeten Verbindungshalbleiter werden diskutiert. Detaillierte Lumineszenzuntersuchungen an ZnO-Nanodrähten als Funktion des Drahtdurchmessers zeigen deutliche Größeneffekte, die auf die oben genannten Ursachen zurückgeführt werden. Zur weiteren Funktionalisierung der Nanodrähte 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 während des Wachstums aufgrund des komplexen Mechanismus wenig erfolgreich ist. Hier wird eine alternative Methode gewählt: die Dotierung durch Ionenimplantation nach dem Wachstum. Im Detail wird die Dotierung von ZnO- und ZnS-Nanodrähten mit Leuchtzentren (Mangan und Lanthanoiden) demonstriert. Hier zeigt insbesondere die intra-3d-Lumineszenz von implantierten Mangan in ZnS-Nanostrukturen eine deutliche Abhängigkeit von dem Durchmesser und der Morphologie der Nanostrukturen. Diese Abhängigkeit kann durch die Erweiterung des Förstermodells, das den Energietransfer zu den Leuchtzentren beschreibt, um einen Dimensionsparameter beschrieben werden. Desweiteren wurden GaAs-Nanodrähte mit Zinkionen impantiert. In elektrischen Messungen an einzelnen Nanodrähten konnte eine Erhöhung der Leitfähigkeit um vier Größenordnungen gezeigt werden, was auf eine erfolgreiche p-Dotierung zurückgeführt 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 müssen zunächst ausgeheilt werden, um eine Aktivierung der eingebrachten Dopanden zu erreichen. Bei der Ionenbestrahlung mit hohen Fluenzen und großen Ionenmassen fällt zudem auch der Abtrag von Oberflächenatomen, der sogenannte Sputtereffekt, ins Gewicht. Dieser führt zu einer charakteristischen Veränderung der Morphologie der Nanodrähte. In einem lithographischen Prozess wurden ZnO-Nanodrähten zu Feldeffekttransistoren prozessiert. Elektrische Untersuchungen zeigen, dass Elektronen Majoritätsladungsträger in den Nanodrähten sind. Abhängig von der Morphologie und dem Herstellungsprozess werden Ladungsträgerkonzentrationen von 1020 cm-3 und Mobilitäten bis zu 4800 cm2/(Vs) beobachtet. Schließlich wird ein einfacher Prozess vorgestellt, in dem ZnO-Nanodrähte in einer skallierbaren Methode zu Leuchtdioden prozessiert werden können. Die Elektrolumineszenz der Nanodrahtdiode ist energetisch im Bereich der Bandlücke von ZnO anzusiedeln und wird durch eine Tunnelinjektion von Löchern aus einem p-Siliziumsubstrat in die ZnO-Nanodrähte erreicht. DasLicht tritt hauptsächlich an den Enden der Nanodrähte aus. Somit ist die Lichtquelle durch den Durchmesser der Drähte 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)−n-ZnO(nanowire) heterojunction diodes, which show good rectification properties and, furthermore, which function as ultraviolet light-emitting diodes