Optimierung des Ladungstransports in komplexen Nanodraht pn- und npn-Übergängen
Die technologische Weiterentwicklung elektronischer Bauelemente wird stetig durch die fortschreitende Miniaturisierung vorangetrieben. Die Übertragung planarer Bauelemente in neue Geometrien, beispielsweise in Form von Nanodrähten, ermöglicht dabei eine zusätzliche Erschließung neuer Funktionalitäten mit hohen Integrationsdichten, einer umfangreichen Heterointegrierbarkeit sowie einer breiten Vielfalt der Materialkombinationsmöglichkeiten. In der Literatur veröffentlichte, nanodrahtbasierte Bauelemente weisen jedoch gegenüber planaren Bauelementen limitierte Leistungen auf, wie z. B. Lichtemitter oder Transistoren mit geringen Effizienzen oder Verstärkungen aufgrund vermehrt auftretender Leckströme.
Während der Ladungstransport in planaren pn-Übergängen durch den Minoritäten-Transport dominiert wird, treten in Nanodrähten additive Ströme auf, welche eine komplexe, vom Shockley-Read-Hall-Modell abweichende Analyse erforderlich machen.
Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist ein detailliertes Verständnis der auftretenden Ladungstransportmechanismen in koaxialen Nanodraht-pn-Übergängen zu entwickeln. Dabei liegt insbesondere die Identifikation sowie die aus dem Verständnis erst ermöglichte, zielgerichtete Unterdrückung auftretender Leckstrommechanismen im Fokus.
Die vorliegende Dissertation beinhaltet eine ganzheitliche Betrachtung koaxialer Kern-Multihüllen-Nanodrähte auf GaAs/InGaP-Basis. Neben der epitaktischen Herstellung sowie der technologischen Weiterprozessierung zu elektrisch ansteuerbaren Bauelementen mit metallischen Kontakten wird auch die grundlegende Materialcharakterisierung hinsichtlich der Dotierstoff-Konzentrationen in getaperten Nanodraht-Kernen und -hüllen demonstriert. Neben einfachen Widerstandsabschätzungen sowie der konventionellen Transferlängenmethode über metallische Kontakte wird zusätzlich ein Multi-Spitzen-Rastertunnelmikroskop eingesetzt, mit welchem Messspitzen direkt auf dem Nanodraht platziert werden können.
Der Ladungstransport in koaxialen Nanodraht-Kern-Hülle sowie -Hülle-Hülle pn-Übergängen wird mithilfe elektrischer Messungen bei Raum- und Tieftemperatur analysiert. Dabei werden neben diffusiven auch tunnelbasierte Stromtransportmechanismen identifiziert und mithilfe physikalischer Simulationen sowie mittels Elektrolumineszenzspektroskopie verifiziert. Eine Unterdrückung dieser Tunnelmechanismen wird durch das Einbringen einer intrinsischen Zwischenhülle in den pn-Übergang erreicht, welche die Tunnelwahrscheinlichkeit innerhalb der Raumladungszone reduziert.
Anhand koaxialer npn-Nanodraht-Strukturen wird abschließend der Einfluss der Tunnelstromunterdrückung auf das Sperrverhalten, die Injektionseffizienz sowie auf die grundlegende Heterostruktur-Bipolartransistorfunktion demonstriert. Durch die Untersuchungen wird ein wichtiger Beitrag zur Unterdrückung des Leckstroms in Nanodraht-Strukturen geleistet, welcher die zukünftige Entwicklung effizienter Nanodraht-Bauelemente bereichern wird.
Miniaturization is the driving force behind the further development of electronic devices. New functionalities can be achieved by transferring standard, planar device geometries into alternative forms, e. g. nanowires; this approach greatly expands the possibilities for heterointegration as well as the options for material combinations and large integration densities are achievable.
The efficiency and performance, however, of previously published nanowire devices, such as light emitters or transistors, pales in comparison with their planar counterparts, not least due to parasitic leakage mechanisms. While the current transport in planar pn-junctions is dominated by minority charge carrier transport, nanowires often exhibit additional currents, which require a more complex analysis that differs from the standard Shockley-Read-Hall model.
This dissertation aims to understand the occurring charge carrier transport mechanisms in coaxial nanowire pn-junctions in detail, focusing particularly on identifying parasitic leakage currents. Consequentially, this analysis makes it possible to suppress these leakage mechanisms.
The present dissertation takes a holistic view of GaAs/InGaP-based, coaxial core-multi-shell nanowires. It includes their epitaxial growth, the technological process of fabricating devices with electrical contacts, as well as the fundamental material analysis regarding doping concentrations in tapered nanowire cores and shells. In addition to simple resistance estimations and the common transfer length method using metal contacts, a multi-tip scanning tunneling microscope is utilized to analyze the nanowires using four measurement probes that can be directly positioned onto the semiconductor. The charge transport in coaxial nanowire core-shell and shell-shell pn-junctions is examined using electrical measurements at room and cryogenic temperature in order to identify diffusive and tunneling current transport mechanisms. The latter current transport mechanisms are further verified via physical simulations as well as electroluminescence spectroscopy.
A focused suppression of these tunneling mechanisms is achieved by introducing an intrinsic intershell into the pn-junction, which reduces the tunneling probability inside the space charge region.
Finally, the tunneling current suppression mechanism is applied to npn nanowire structures and its positive impact on the blocking behavior, the injection efficiency and the overall bipolar transistor performance is demonstrated.
The investigations reported in this dissertation contribute to the suppression of leakage currents in nanowire structures. They further enhance the future development of efficient nanowire devices.