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Ein Beitrag zur Entwicklung des Ω-Gate InAs Nanodraht-Transistors

Do, Quoc Thai

Seit mehr als 50 Jahren ist der Nanowhisker bzw. Nanodraht Gegenstand intensiver Forschung und gehört somit zu den grundlegenden Themen der Nanotechnologie. Angesichts der rasanten Entwicklung im nanotechnologischen Bereich gewinnen Nanodrähte mehr und mehr an Bedeutung für die physikalischen Eigenschaften von InAs-Nanodrähten und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung des Forschungsfeldes. Im Rahmen dieser Arbeit wurden InAs-Nanodrähte aus der Vapor-Liquid-Solid Epitaxie auf ihre elektrischen Eigenschaften untersucht und als Nanodraht-Feldeffekttransistor charakterisiert. Hierfür war es nötig, sowohl entscheidende Prozessschritte für die Nanostrukturierung bzw. Nanokontaktierung zu entwickeln, als auch diese Prozesse für die Herstellung von InAs-Nanodraht-Feldeffekttransistoren in einen Gesamtprozess zu integrieren. Gegenstand dieser Arbeit ist auch die elektrische Charakterisierung der InAs-Nanodrähte mittels Conductive-AFM, um die Materialparameter zu bestimmen. Hierzu wurde ein Standard-AFM ausgebaut, wodurch die direkte elektrische Kontaktierung erfolgreich umgesetzt werden konnte. Mit dem Einsatz der Elektronenstrahl-Lithografie als indirekte Kontaktierungstechnik konnten zusätzlich die bekannten Vierpunkt-und TLM-Messmethoden auf die freiliegenden Nanodrähte angewandt werden. Somit war es möglich die InAs-Nanodrähte auch auf ihre elektrischen Eigenschaften hin zu untersuchen. Die theoretische Beschreibung der TLM Messergebisse konnte übereinstimmend auf die Messergebnisse der Nanodrähte verifiziert werden. Dabei zeigten die InAs-Nanodrähte spezifische Kontaktwiderstände im Bereich 10E-6 Ωcm2 und spezifische Widerstände im Bereich 10E-3 Ωcm, was überzeugend eine hohe kristalline Qualität der InAs-Nanodrähte belegt. Es konnte ebenfalls die Dotierung der InAs-Nanodrähte im Bereich von einigen 10E+17cm-3 ermittelt werden. Weiterhin wurde beobachtet, dass die InAs-Nanodrähte starke Oberflächenleitfähigkeit aufweisen. Durch die SiNx-Passivierung der Nanodrahtoberfläche konnte der Leitwert des Nanodrahtes um den Faktor 10 erhöht werden. Dieses Resultat deutet auf eine Oberflächensensitivität des InAs-Nanodrahtes hin. Die Zusammenführung der in dieser Arbeit entwickelten e-Beam Prozesse mit bereits bestehenden lithographischen Prozessen, erlaubte die Herstellung von Nanodraht-Transistoren mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften für Kanallängen zwischen 1 µm bis 4 µm mit Gateisolatoren bis zu 10 nm. In Anbetracht der relativ hohen Gatelängen und dicken Gateisolatoren zeigten die Transistoren vergleichsweise hohe Stromdichten bis zu 3 A/mm bzw. Steilheiten bis zu 2,7 S/mm. Die Skalierbarkeit der NW-FET‘s konnte auch im Zusammenhang mit den Dicken des Gateisolators gezeigt werden. Die Beweglichkeit konnte aus den Transistordaten von 10.000 cm2/Vs bestimmt werden. Dieses Resultat weist wiederum auf hohe kristalline Eigenschaften des InAs-Nanodrahtes hin. Zudem erfolgte eine Charakterisierung der Transistoren in Abhängigkeit der Nanodrahtradien und Gatelängen. Aufbauend auf dem Iniguez „Charge-Control-Model“ für den Koaxial-Gate-MISFET konnte durch die Erweiterung des Kapazitätsmodells der Ω-Gate-MISFET beschrieben und Simulationen durchgeführt werden. Die Anwendbarkeit des benutzten Modells wurde anhand von vergleichenden Messungen an den realisierten Nanodraht-Transistoren überprüft und zeigte eine gute Übereinstimmung mit der Modellierung. Darüber hinaus zeigen die ersten Hochfrequenz-Messungen an den InAs-Nanodraht-Transistoren mit optimiertem π-Gate hohe Transistfrequenzen von f~10 GHz. Diese Daten stellen im Vergleich zu entsprechenden Forschungen die bisher veröffentlicht wurden Bestwerte dar.

Nanowires have been the subject of extensive research for nanoelectronic and are therefore one fundamental issue of nanotechnology for over 50 years. Due to the rapid nanotechnology development nanowires becomes a more and more important issue for nanoelectronic. This thesis investigates the physical properties of InAs nanowires and provide an important contribution to development of InAs nanowires. In this work InAs nanowires synthesized by using Vapor-Liquid-Solid Epitaxy were investigated on their electrical properties and characterized as nanowire field-effect transistor (NW-FET). Therefore it was necessary to develop a nano lithography technique as well as an overall process for the development of InAs nanowire field-effect transistors. This work also examines the electrical characterization of freestanding InAs nanowires by Conductive-AFM in order to determine their material parameters. For this purpose a standard AFM was further developed, whereby the direct electrical contacting by AFM tip could be successfully implemented. Electron beam lithography was used as indirect contacting technique to apply four-point-structure as well as Transmission Line Method (TLM) structure on the exposed InAs nanowires. In this way it was possible to investigate InAs nanowires on their electrical material properties. The theoretical description of nanowire TLM could be verified according to measurement results of the InAs nanowires. InAs nanowires showed specific contact resistances in range 10E-6 Ωcm-2 and resistivity’s in range 10E-3 Ωcm that demonstrated a high crystalline quality of InAs nanowires. The doping concentration of InAs nanowires could be determined in range of a few 10E+17cm-3. Further it has been observed that InAs nanowires exhibit strong surface conductivity. By using of SiNx surface passivation the nanowire conductance could be increased up to the factor 10. The developed processing steps in this thesis allowed the production of nanowire field-effect transistors with excellent electrical properties for channel lengths from 1 µm to 4 µm with gate dielectric thickness up to 10 nm. In view of the given gate lengths and dielectric thicknesses the NW-FETs showed high current densities up to 3 A/mm and transconductances up to 2.7 S/mm. The NW-FET scalability of gate dielectric thickness could also be shown. In addition, the characterizations of NW-FETs depending on nanowire radius and gate lengths were investigated. The effective mobility was determined from the transistor data in range up to 10,000 cm2/Vs. These results indicate that InAs nanowires offer excellent electrical properties for nanoelectronic. The Ω-gate MISFET was described based on the Iniguez "Charge-Control Model" for the coaxial gate MISFET. The used model was verified based on comparative measurements of the realized nanowire transistors and showed a good agreement with the modeling results. In addition, the first high-frequency measurement on the InAs NW-FET with optimized π-gate showed transist frequencies up to f~10 GHz. Compared to the corresponding research, which have been published so far, these data represent the best results ever attained.

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Do, Quoc Thai: Ein Beitrag zur Entwicklung des Ω-Gate InAs Nanodraht-Transistors. 2011.

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