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Fritz Kohlrausch Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft an Rinaldo Trotta

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Bildquelle: Robert Herbst, POINT OF VIEW (http://pov.at). ...  more of Fritz Kohlrausch Preis der Österreichischen Physikalischen Gesellschaft an Rinaldo Trotta (Titel)

Video Online: "Embedding a Single Quantum Dot into a Photonic Crystal Cavity"

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Our recent work (Nature Comm.7, 10375, 2016) on tunable entangled photons from QDs has been recently highlighted in the Laser Focus World magazine!

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Back Cover of Phys. Status Solidi A 3/2016

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Winner of Science Slam Linz and the Austrian Final in Vienna 2016: Martyna Grydlik!!!

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"Wenn es in der Physik funkt...", Artikel in der PRESSE

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Content

Hannes Watzinger

Growth of in-plane SiGe nanowires

Abstract

The steadily increasing development of and the research on nanostructures is of both fundamental and high technological interest. In this context, silicon plays the leading role in the semiconductor industry.
Over the course of this work, the growth of in-plane and self-organized SiGe nanostructures, so-called nanowires (NWs), based on the Stranski-Krastanow growth mechanism, is investigated and optimized. The notation “wire” is related to the large elongation compared to the small cross section of the NWs. In this way, a fabrication of quantum-mechanically one-dimensional structures on the nano-scale is possible.
All samples fabricated during this work were grown on Si(001) substrates in a Molecular Beam Epitaxy system. The resulting NWs exhibit typical heights of only 1.6 nm with a {105} facetting and are oriented along the [100] or [010] direction. By using the optimized growth parameters, and applying a subsequent annealing step at relatively low temperatures, NW lengths > 1 μm were achieved. The NWs, which evolve from so-called “hut clusters”, were already investigated and optimized in the work of J. J. Zhang. Here, the focus lies on the impact of Si on the NW formation. Therefore, Si 1−x Ge x alloys with compositions x ranging from 1 to 0.5 were used for the NW fab-
rication. Beside changing the growth characteristics, the added Si was supposed to increase the cross section of the wires. This in turn is a wanted effect for transport measurements, one of the main applications of the fabricated NWs. However, crucial changes showed up in the NW lengths and their arrangement on the substrate surface. In addition to the experimental results, a statistical analysis of the grown nanostructures is given. Hence, a more precise statement on the NW formation is possible and also the impact of the substrate miscut is pointed out. Similarly, a theoretical model from the work of J. J. Zhang is discussed in the context of the results here.
Furthermore, the importance of the cleaning procedure before growth is highlighted. That is to say, an increased density of defects can be related to impurities on the sample surface. It turned out that the defects, acting as a counterpart to the NW growth, can drastically reduce the achievable wire lengths. Nevertheless, this effect gets affected by the addition of Si, which reduces the mobility of the Ge atoms on the substrate surface, and thus the wire growth gets improved.
Finally, several possibilities for a further optimization of the NW fabrication are adressed briefly. Beside yielding larger wire cross sections, the elimination of the miscut is discussed. Additionally, a possible utilization of pre-structured substrates is presented, that should allow the realization of well-defined nanostructures based on SiGe NWs.

Kurzfassung

Die ständig wachsende Weiterentwicklung und Forschung an Nanostrukturen ist sowohl von fundamentalem als auch von großem technologischen Interesse. Dabei nimmt Silizium als unverzichtbares Materialsystem in der Halbleiterindustrie die unbestrittene
Vorreiterrolle ein.
In der vorliegenden Masterarbeit wird das selbst-organisierte und in der Substrat-Ebene stattfindende Wachstum von Silizium-Germanium (SiGe) Nanostrukturen, sogenannten Nanowires (NWs), untersucht und optimiert. Die Bezeichnung „wire“ nimmt Bezug auf die vergleichsweise große Ausdehnung in Längsrichtung in Anbetracht der kleinen Querschnittsfläche. Somit ist es möglich, quantenmechanisch eindimensionale Strukturen im Nanobereich herzustellen.
Alle im Zuge der Arbeit, durch spannungs-induziertes Stranski-Krastanow Wachstum erzeugten Nanostrukturen, wurden mittels Molekularstrahl-Epitaxie auf Si(001) Substraten hergestellt. Die resultierenden NWs weisen eine {105} Facettierung mit einer typischen Höhe von 1.6 nm auf und sind in die [100] bzw. [010] Richtung orientiert. Durch optimierte Wachstumsbedingungen und anschließendes Tempern bei relativ niedrigen Temperaturen ist es möglich, separierte NWs mit Längen > 1μm herzustellen. Die Entstehung von Ge NWs aus sogenannten „hut clusters“ wurde bereits in der Arbeit von J. J. Zhang untersucht und optimiert. Im Folgenden wird nun das Hauptaugenmerk auf den Einfluss von Si auf die Bildung dieser Nanostrukturen gelegt. Dazu wurden Si 1−x Ge x NWs mit Zusammensetzungen von x =1 bis 0.5 hergestellt und untersucht. Erwartungsgemäß sollte eine Zugabe von Si die Querschnitte der NWs erhöhen, was wünschenswert für Anwendungen in Transport Messungen wäre. Vielmehr jedoch zeigten sich Auswirkungen in der Länge und der Anordnung der Nanostrukturen. Neben experimentellen Ergebnissen werden im Nachfolgenden statistische Auswertungen der SiGe NWs bereitgestellt, welche sich aufgrund des Miscuts der Si Substrate unterscheiden in [100] und [010]. Dadurch wird eine bessere Aussage über den Einfluss von Si auf die NW Bildung ermöglicht. In diesem Zusammenhang wird auch ein theoretisches Modell aus der Arbeit von J. J. Zhang [1] diskutiert und mit den Experimenten
verglichen.
Weiters wird die Wichtigkeit der Reinigung der verwendeten Si Substrate gezeigt. Die mit Verunreinigungen in direktem Zusammenhang stehenden Defekte auf den hergestellten Proben stellen eine Verschlechterung der Rahmenbedingungen für das NW Wachstum dar. Demnach ist eine Korrelation höherer Defektdichten mit meist deutlich kürzeren NWs gegeben. Der negative Einfluss wird jedoch durch das zugegebene Si, welches die Mobilität der Ge Atome an der Substratoberfläche herabsetzt, reduziert.
Abschließend werden verschiedene Möglichkeiten zur weiteren Optimierung der SiGe NW Herstellung angeführt. Abgesehen von dem Versuch, Miscut-freie Substrate und NWs mit größeren Querschnitten zu erzielen, wird auch die Erzeugung von SiGe NWs auf vorstrukturierten Proben diskutiert.

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application/pdfMaster thesis (18.9 MB, Master thesis Hannes Watzinger)