MBE growth and characterization of germanium nanowires

MBE-Wachstum und Charakterisierung von Germanium-Nanodrähten

  • Semiconductor nanowires, also called nanorods or nanowhiskers, are of particular interest for various applications in nanotechnology. Especially, germanium as a CMOS compatible material with its good electronic properties has gained renewed interest in recent years due to the availability of modern gate dielectrics. The present work deals with the vapor-liquid-solid growth of germanium nanowires and their characterization. The Growth has been carried out by means of molecular beam epitaxy using differently oriented germanium and silicon substrates whereas gold has been used to create metal catalyst droplets with radii of typically 100 nm and below. All stages from the substrate preparation to the final growth have been investigated in the frame of this work to find significant control parameters that influence the growth result. The droplet formation by means of gold evaporation onto the heated substrates has been investigated extensively on different substrates and for different surface preparations to identify parameters that areSemiconductor nanowires, also called nanorods or nanowhiskers, are of particular interest for various applications in nanotechnology. Especially, germanium as a CMOS compatible material with its good electronic properties has gained renewed interest in recent years due to the availability of modern gate dielectrics. The present work deals with the vapor-liquid-solid growth of germanium nanowires and their characterization. The Growth has been carried out by means of molecular beam epitaxy using differently oriented germanium and silicon substrates whereas gold has been used to create metal catalyst droplets with radii of typically 100 nm and below. All stages from the substrate preparation to the final growth have been investigated in the frame of this work to find significant control parameters that influence the growth result. The droplet formation by means of gold evaporation onto the heated substrates has been investigated extensively on different substrates and for different surface preparations to identify parameters that are crucial for the resulting size distribution. Thereby sticking effects of the droplet circumference turned out to influence the radius distribution significantly. Germanium nanowires have been observed to grow preferentially along the <011> crystallographic directions on all utilized substrate orientations leading to defined possible inclinations of the wires with respect to the substrate normal. In contrast to the faceting known from silicon wires, the sidewalls mainly exhibit four flat {111} facets whereas the tip is roof shaped consisting of another two {111} facets. Different models which describe the inclined growth are presented and discussed. Furthermore, the material transport during the growth has been investigated. The nanowire length was found to be up to eight times larger than the nominal layer thickness according to the total amount of deposited germanium which is explained by surface diffusion towards the nanowires. The diffusion dominated growth regime was confirmed by length-radius-plot showing a decrease of the nanowire length at increasing radii. A temperature dependent diffusion model has been utilized to describe the observed nanowire length as a function of the substrate temperature. Beside conventional nanowires, so-called in-plane nanowires which grow along the substrate surface have been studied. Like their vertically growing counterparts, they also tend to grow along <011> in-plane directions which is particularly distinct on Ge(011) substrates. However, the fraction of nanowires which are aligned along <011> is influenced by substrate imperfections which was intentionally affected by means of wet-chemical substrate preparation. In addition to the nanowire growth, techniques for selective catalyst removal as well as for nanowire embedding in an insulating, transparent matrix have been established which can be important prerequisites for further nanowire processing in terms of electric or optoelectronic applications.show moreshow less
  • Halbleitende Nanodrähte, auch Nanosäulen oder Nanowhisker genannt, sind wegen vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Nanotechnologie von hohem Interesse. Das gilt insbesondere für Germanium mit seinen guten elektronischen Eigenschaften, welches in den letzten Jahren eine Renaissance erlebt hat. Ein wesentlicher Grund hierfür ist seine Verwendbarkeit in der CMOS Technologie durch die Entwicklung moderner Gate-Isolationsschichten. Die vorliegende Arbeit behandelt das Wachstum von Germanium Nanodrähten nach dem vapor-liquid-solid-Mechanismus (gasförmig-flüssig-fest) und deren Charakterisierung. Als metallisches Lösungsmittel zur Erzeugung von Tröpfchen mit Radien im Bereich von 100 nm und kleiner wurde Gold verwendet. Von der Substratpreparation bis zum Wachstum wurden alle Phasen der Herstellung von Nanodrähten untersucht, um die wesentlichen Parameter zu finden, welche wichtige Kenngrößen wie die Wachstumsrate oder den Radius der Nanostrukturen beeinflussen. Ein Schwerpunkt der Untersuchung ist die Bildung vonHalbleitende Nanodrähte, auch Nanosäulen oder Nanowhisker genannt, sind wegen vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Nanotechnologie von hohem Interesse. Das gilt insbesondere für Germanium mit seinen guten elektronischen Eigenschaften, welches in den letzten Jahren eine Renaissance erlebt hat. Ein wesentlicher Grund hierfür ist seine Verwendbarkeit in der CMOS Technologie durch die Entwicklung moderner Gate-Isolationsschichten. Die vorliegende Arbeit behandelt das Wachstum von Germanium Nanodrähten nach dem vapor-liquid-solid-Mechanismus (gasförmig-flüssig-fest) und deren Charakterisierung. Als metallisches Lösungsmittel zur Erzeugung von Tröpfchen mit Radien im Bereich von 100 nm und kleiner wurde Gold verwendet. Von der Substratpreparation bis zum Wachstum wurden alle Phasen der Herstellung von Nanodrähten untersucht, um die wesentlichen Parameter zu finden, welche wichtige Kenngrößen wie die Wachstumsrate oder den Radius der Nanostrukturen beeinflussen. Ein Schwerpunkt der Untersuchung ist die Bildung von Tröpfchen und deren Größenverteilung als Funktion der Temperatur auf verschiedenen Substraten sowie in Abhängigkeit von unterschiedlichen Oberflächenvorbehandlungen. Das Wachstum der Nanosäulen erfolgt auf allen verwendeten Substratorientierungen bevorzugt in den <011>-Richtungen, was zu bestimmten Neigungswinkeln der Nanodrähte bezüglich der Substratnormalen führt. Anders als es von Silizium-Nanodrähten bekannt ist, weisen in <011>-Richtung gewachsene Germaniumdrähte vier {111}-Seitenfacetten auf und eine dachförmige Spitze, die aus zwei weiteren {111}-Facetten besteht. Das bevorzugte Wachstum in <011>-Richtungen wird anhand verschiedener Modelle diskutiert. Darüber hinaus wurde die Wachstumsrate der Nanowhisker unter Berücksichtigung des Stofftransportes untersucht. Es zeigt sich, dass die Oberflächendiffusion der Germaniumatome den entscheidenden Einfluss auf die Wachstumsrate der Nanodrähte hat. In einem entsprechenden Längen-Radius-Diagram ist ein diffusionslimitiertes Wachstumsregime ersichtlich. Die untersuchten Nanodrähte waren bis zu acht mal länger als die nominelle Schichtdicke, welche der Menge an deponiertem Germanium entspricht, was durch den diffusiven Stofftransport zum Wachstumsort an der Spitze der Nanodrähte erklärt werden kann. Die Wachstumsrate als Funktion der Temperatur konnte mit Hilfe der Temperaturabhängigkeit der Diffusionslänge im Rahmen eines einfachen Diffusionsmodels berechnet werden. Neben konventionellen Nanowhiskern wurden so genannte In-plane-Nanodrähte untersucht, welche innerhalb der Substratebene wachsen. Ähnlich wie vertikale Nanodrähte weisen diese bevorzugte, azimutale <011>-Richtungen, was auf Ge(011) Substraten besonders ausgeprägt ist. Der Anteil an In-pane-Nanodrähten, welche entlang der bevorzugten Richtungen wachsen, ist abhängig von Defekten in der Substratoberfläche, wie zum Beispiel der Rauigkeit und konnte gezielt durch nasschemische Vorbehandlung beeinflusst werden. Diese Befunde können bei gerichtetem Wachstum von Nanodrähten entlang von Oberflächen von Bedeutung sein, was in der Literatur auch als Guided Growth bezeichnet wird. Zusätzlich zu Wachstumsuntersuchungen wurden Methoden getestet, um Goldtröpfchen nasschemisch bei möglichst geringem Ätzangriff von Germanium-Nanostrukturen zu entfernen. Darüber hinaus wurden Nanostrukturen mittels Spin-Coating in eine elektrisch isolierende und transparente Matrix eingebettet. Für zukünftige Anwendungen können beide Arbeitsschritte eine wichtige Rolle spielen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Jan Schmidtbauer
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-28660
Referee / Advisor:Prof. Dr. Jürgen Reif
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Date of final exam:2013/06/19
Release Date:2013/08/22
Tag:Germanium; Molekularstrahlepitaxie; Nanodrähte; Nanostrukturen; Oberflächendiffusion
Germanium; Molecular beam epitaxy; Nanostructures; Nanowire; Nucleation; Surface diffusion
GND Keyword:Germanium; Molekularstrahlepitaxie; Nanodraht
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Experimentalphysik und funktionale Materialien
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Experimentalphysik / Materialwissenschaften