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Bernhard Mandl - Quantendrähte für die Nanoelektronik

Au–free growth of nanowires and their characterisation

oder

Quantendrähte für die Nanoelektronik

Bernhard Mandl
angefertigt an der Abteilung für Halbleiterphysik des Instituts für Halbleiter- und Festkörperphysik

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Halbleiterbauteile sind die wichtigsten Elemente in vielen elektronischen Geräten wie Computern, Mobiltelefonen und Kfz-Elektronik. Meist dient als Ausgangsstoff Silizium, weil dafür die Produktionstechnologie am weitesten entwickelt ist. Für spezielle optische Anwendungen wie Leuchtdioden oder Halbleiterlaser und für Hochfrequenzbauelemente müssen jedoch andere Materialien, z.B. lndiumarsenid (InAs), verwendet werden. Es ist daher sehr vorteilhaft, InAs mit Silizium zu kombinieren. In herkömmlichen Prozessen ist dies aber nicht möglich, weil die InAs-Schichten auf Silizium zu viele Unregelmäßigkeiten enthalten. Diese Defekte entstehen dadurch, dass Si und InAs unterschiedlichen Eigenschaften haben, wie z.B. Gittergröße und thermische Ausdehnung. Dieses Problem kann man durch Wachstum von Strukturen mit sehr kleinem Querschnitt (dünne "Drähte") lösen. Infolge der kleinen Kontaktfläche mit der Siliziumunterlage werden kaum Versetzungen in den InAs-Drähten erzeugt.

Graphische Darstellung von Nanowires mit elektrischen Kontakten.

Solche Drähte werden als "Nanowires" bezeichnet: Ihre Durchmesser reichen von zehn bis hundert nm (ein nm ist ein Millionstel Millimeter), die Länge ist einige zehntausend nm. Für die Herstellung so kleiner Strukturen auf Silizium verwendete man bisher winzige Goldteilchen als Katalysatoren. Wie man im obigen Bild sehen kann, wachsen die Nanowires unterhalb eines solchen Goldteilchens, welches als Startpunkt und Vorgabe für den Durchmesser der Nanowires fungiert. Dieser Prozess führt jedoch zu Verunreinigungen im Silizium, die die Bauteilfunktion stark beeinträchtigen.

In seiner Diplomarbeit suchte Bernhard Mandl daher nach einem alternativen Katalysator und fand diesen in Form von SiO (Silizium- Monoxid). Bei dem Prozess wird eine 1–2 nm dünne Schicht SiO aufgebracht, die bei Temperaturen über 500°C zerfällt und kleine Teilchen auf der Oberfläche formt; diese Teilchen sind wahrscheinlich für das Wachstum der Nanowires verantwortlich. Da Silizium und Sauerstoff in den üblichen Herstellungsprozessen ohnehin Verwendung finden, ist dies eine sehr elegante Lösung, auf deren Basis Herr Mandl einen stabilen Wachstumsprozess für InAs-Nanowires auf Si entwickelte. Darüberhinaus konnte er zeigen, dass die Methode auch auf Verbindungshalbleitern funktioniert und dass sogar die Positionen der Quantendrähte präzise vorgegeben werden können. Das Wachstum mit Hilfe von SiO wurde auf InAs, Indiumphosphit (InP), Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphit (GaP) gezeigt. Da jedoch nicht alle dafür benötigten Maschinen an der Universität Linz vorhanden sind, führte ich einen Teil meiner Arbeiten im Rahmen einer Kooperation mit der Universität Lund in Schweden und an der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble in Frankreich durch.

Rasterelektronenmikroskopaufnahmen von Nanowires, gewachsen mit SiO-Katalysator auf InP.

Wachstum von InAs Nanowires an vorgegebenen Positionen auf einem InP Substrat.

InAs Nanowires auf einem Si Substrat (Ansicht von oben, die Nanowires wachsen in 4 äquivalente Kristallrichtungen).