Einfluss von Oberflächenmodifikationen auf den Ladungsträgertransport in axialen GaAs-Nanodrahtstrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nanodrahtstrukturen basierend auf III-V-Halbleitern besitzen vorteilhafte Eigenschaften, welche sie für eine Vielzahl an Anwendungen interessant machen. Aufgrund ihrer Größe sind sie sehr gut zur Miniaturisierung von Bauteilen geeignet. Dieser Vorteil bedingt jedoch auch eine ihrer größten Herausforderungen. Im Gegensatz zu (makroskopischen) planaren Strukturen, wo eine große Zahl an Charakterisierungsmethoden existiert, ist die Untersuchung von Nanodrähten von höherem experimentellem Anspruch. Da das MT-STM in UHV-Umgebung arbeitet und dem Fachgebiet ein eigens entwickeltes UHV-Transfersystem zur Verfügung steht, ist es möglich, Proben direkt nach dem Wachstum in Apparaturen für UHV-basierte Charakterisierungsmethoden zu schleusen und damit zu untersuchen. Die Proben können somit im UHV-transferierten sowie im oxidierten Zustand mit dem MT-STM vermessen werden. Dabei stellte sich heraus, dass die Leitfähigkeit der oxidierten Probe niedriger ist im Vergleich zur UHV-transferierten. Erklärt werden konnte dies mit der Ausbildung einer oberflächennahen Verarmungszone aufgrund von Oberflächenzuständen innerhalb der Bandlücke. Die Breite dieser Verarmungszone, welche mit verschiedenen Modellen berechnet werden kann, hängt hauptsächlich von der Stärke der Dotierung, dem Material, der Oberflächenzustandsdichte und deren energetischer Position ab und schränkt den leitfähigen Kanal im Inneren der Nanodrähte ein. Im UHV-transferierten Fall konnten die Messergebnisse nur mit einem Oberflächenpotential von nahezu Null in Übereinstimmung gebracht werden. Dies bedeutet, dass UHV-transferierte GaAs(112) Oberflächen eine geringe Oberflächenzustandsdichte innerhalb der Bandlücke besitzen. Auch der nominell undotierte Sockel der Nanodrähte von Probe B zeigt nach der Oxidation eine geringere Leitfähigkeit als zuvor. Der einzige Ladungsträgertransportkanal bei undotierten Drähten ist ihre Oberfläche. Als wahrscheinlichste Erklärung für eine verringerte Oberflächenleitung aufgrund der Oxidation wird angesehen, dass nun Oberflächenzustände innerhalb der Bandlücke existieren, welche als Fallenzustände fungieren und den Ladungsträgertransport erschweren. In einem weiteren Schritt wurde in Kooperation mit dem Forschungszentrum Jülich der Transport von Ladungsträger vom Draht-Inneren zur Oberfläche an einer oxidierten Nanodraht-Probe untersucht. Wie bereits zuvor festgestellt wurde, ist der Übergang vom Kerninneren zur Oberfläche bei abrupten Änderungen der Dotierstoffkonzentration ohmsch. Existiert jedoch zwischen Kern- und Oberflächenleitung eine Region, wo sich die Dotierung sukzessive ändert, steigt die Breite der radialen Verarmungszone mit sinkender Dotierung an und die Ladungsträger können nicht mehr zur Oberfläche gelangen. Die Potentialbarriere zwischen Kern und Oberfläche steigt mit sinkender Dotierung auf bis zu 0,6 V an. Die Integration von ladungstrennenden Kontakten in Nanodrahtstrukturen ist für die Verwendung dieser als Bauelemente unerlässlich. Die elektrische Charakterisierung axialer pn-Kontakte im ND zeigte sehr schnell, dass die Aufnahme von Zweipunkt-IV-Kurven nicht ausreicht und Vierpunktmessungen deutlich mehr Informationen beinhalten. Hierbei konnten ihre Kennwerte (Schwellenspannung, Idealitätsfaktor, usw.) extrahiert werden. Diese deuteten auf einen zu niedrigen Parallel- und einen zu hohen Serienwiderstand hin. Ersteres ist plausibel, da die Probe einerseits UHV-transferiert wurde und somit eine erhöhte Oberflächenleitung erwartet werden musste. Der hohe Serienwiderstand konnte mit Blick auf das aufgenommene Widerstandsprofil erklärt werden. Der Übergang von p- zu n-Gebiet war keinesfalls abrupt, was sich in einem starken und (örtlich) ausgedehnten Widerstandsanstieg äußerte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Investigation of charge carrier depletion in freestanding nanowires by a multi-probe scanning tunneling microscope. Nano Research, 11, 5924, 2018
Nägelein, A.; Steidl, M.; Korte, S.; Voigtländer, B.; Prost, W.; Kleinschmidt, P.; Hannappel, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s12274-018-2105-x) - Metalorganic Vapor Phase Epitaxy of III-V-on-Silicon: Experiment & Theory. Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 64,103, 2018
Supplie, O.; Romanyuk, O.; Koppka, C.; Steidl, M.; Nägelein, A.; Paszuk, A.; Dobrich, A.;. Winterfeld, L.; Kleinschmidt, P.; Runge, E.; Hannappel, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow.2018.07.002) - Charge transport in GaAs nanowires: Interplay between conductivity through the interior and surface conductivity. Journal of Physics: Condensed Matter, 31, 074004, 2019
Korte, S.; Nägelein, A.; Steidl, M.; Prost, W.; Cherepanov, V.; Kleinschmidt, P.; Hannappel, T.; Voigtländer, B.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-648X/aaf515) - Multi-probe electrical characterization of nanowires for solar energy conversion. Journal of Photovoltaic, 9, 673, 2019
Nägelein, A.; Timm, C.; Steidl, M.; Kleinschmidt, P.; Hannappel, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2019.2894065) - Spatially resolved analysis of dopant concentration in axial GaAs NW pn-contacts. Solar Energy Materials & Solar Cells, 197, 13, 2019
Nägelein, A.; Timm, C.; Schwarzburg, K.; Steidl, M.; Kleinschmidt, P.; Hannappel, T.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.solmat.2019.03.049)
