Growth and structural characterization of III-V semiconductor nanowires

Rieger, Torsten; Morgenstern, Markus; Grützmacher, Detlev

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-073210

Growth and structural characterization of III-V semiconductor nanowires = Wachstum und strukturelle Charakterisierung von III-V Halbleiternanodrähten

Rieger, Torsten

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Torsten Rieger aus Hamburg, Deutschland

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (getrennte Zählung) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Grützmacher, Detlev (Thesis advisor) ; Morgenstern, Markus (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-09-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-073210
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/564332/files/564332.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; molecular beam epitaxy (frei) ; nanowire (frei) ; heterostructure (frei) ; transmission electron microscopy (frei) ; III-V semiconductors (frei) ; atomic layer desposition (frei) ; Molekularstrahlepitaxie (frei) ; Nanodraht (frei) ; Heterostruktur (frei) ; Transmissionselektronenmikroskopie (frei) ; III-V Halbleiter (frei) ; Atomlagenabscheidung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit werden das Wachstum und die strukturellen Eigenschaften von III-V Halbleiternanodrähten und Nanodrahtheterostrukturen untersucht. Bei diesen Nanodrähten handelt es sich um Strukturen, die sowohl für fundamentale Physik als auch elektronische Bauelemente, wie (Tunnel-)Feldeffekttransistoren, geeignet sind. Die III-V Nanodrähte sind mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen, dielektrische Schichten sind per Atomlagenabscheidung konform um die Nanodrähte deponiert. Die morphologischen und strukturellen Eigenschaften der Strukturen werden mit Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie sowie Röntgenbeugung untersucht.InAs Nanodrähte werden über zwei verschiedene Wachstumsmechanismen auf GaAs und Si (111) Substraten hergestellt. Das Wachstum erfolgt entweder über einen Gas-Flüssig-Fest Mechanismus mit einem flüssigen In-Tropfen oder über einen Gas-Fest Wachstumsmechanismus ohne einen Katalysator. Eine gründliche Untersuchung des Einflusses der Substratvorbereitung wird durchgeführt und die optimalen Parameter für die in situ und die ex situ Substratvorbereitung werden bestimmt. Die InAs Nanodrähte, die per Gas-Fest-Mechanismus gewachsen sind, haben eine hohe Dichte an Stapelfehlern während das Wachstum per Gas-Flüssig-Fest-Mechanismus in einer Überstruktur aus Zinkblendezwillingen sowie einem kurzen Wurtzitsegment unter dem Tropfen führt. Dieses Wurtzitsegment wird auf die Nukleation an der Dreiphasengrenze zwischen dem Gas (Vakuum), dem flüssigen Tropfen und dem Kristall zurückgeführt. Nachdem ein kinetisches Modell für das Vorhandensein der wurtzitischen Phase unter dem Tropfen entwickelt ist, können Wurtzitsegmente mit variabler Länge in GaAs und InAs Nanodrähten eingebaut werden. Das Wachstum von InAs und GaAs Nanodrähten wird erfolgreich auf Si (100) Substrate durch Anwendung einer Substrattexturierung transferiert. Diese Texturierung erzeugt Pyramiden, die von {111} Facetten begrenzt sind. Eine Ausrichtung der Pyramiden zu den Effusionszellen ermöglicht eine Kontrolle der Wachstumsrichtung der Nanodrähte und eine Untersuchung des Einflusses der Wachstumsparameter in einem Experiment. Zusätzlich ermöglichen die texturierten Substrate die simultane Integration von GaAs und InAs Nanodrähten auf der selben Probe.Nanodrahtheterostrukturen werden in Form der nahezu gitterangepassten Kombination aus InAs, GaSb und AlSb und Heterostrukturen mit Gitterfehlpassung (GaAs/InAs und GaAs/InSb) untersucht. Letztere haben Gitterfehlpassungen von 7% und 14%, diese erzeugen Versetzungen bereits für dünne Hüllen. In Zinkblende Kern-Hülle Nanodrähten werden drei verschiedene Versetzungen erkannt: Perfekte Versetzungen sowie Frank und Shockley Partialversetzungen. In Wurtzit Kern-Hülle Nanodrähten sind hingegen nur Frank Partialversetzungen vorhanden. GaAs/InAs Kern-Hülle Nanodrähte zeigen eine auffällige morphologische Charakteristik an der Drahtspitze: das Nichtvorhandensein der InAs Hülle. Dies ist korreliert mit der wurtzitischen Kristallstruktur. In Kombination mit der Kontrolle der Kristallphasen der GaAs Nanodrähte wird das Wachstum der InAs Hülle in der Umgebung der Wurtzitsegmente untersucht. Ein Modell wird entwickelt um das Nichtvorhandensein der InAs Hülle auf Wurtzit-GaAs und den Einfluss von Stapelfehlern und Zwillingsgrenzen auf das Wachstum zu beschreiben. Zwei Wachstumsregime für GaAs/InSb Heterostrukturnanodrähte sind vorhanden: axiales Wachstum bei hohen Temperaturen und radiales Wachstum bei niedrigen Temperaturen. Das axiale Wachstum erfolgt durch die Nukleation einen In-Tropfens auf der flachen Topfacette des GaAs Nanodrahts. Das radiale Wachstum zeigt einen zusätzlichen Mechanismus der Verspannungsrelaxation durch verkippte Gitterebenen. Geometrische Phasenanalyse verdeutlicht eine abrupte und komplette Verspannungsrelaxation für beide GaAs/InSb Heterostrukturen. Kern-Hülle Nanodrähte aus InAs, GaSb und AlSb sind versetzungsfrei. Die Hüllendicke übersteigt die kritische Schichtdicke in planaren Heterostrukturen. In As Nanodrahtverbindungen, basierend auf der Kombination von mehreren individuellen Nanodrähten werden, über das Wachstum auf Si (100) Substraten mit V-Gräben erreicht. Drei grundlegende Verbindungen sind vorhanden: die L-Form, die T-Form und die X-Form. Die Kristallstruktur in den Verbindungen ist über einen Festphasenmechanismus mit Shockley Partialversetzungen von einer stapelfehlerreichen zu einer Zinkblende-Struktur modifiziert. Eine Passivierung der Nanodrähte erfolgt durch die Abscheidung von Al2O3 und HfO2 Dielektrika mittels Atomlagenabscheidung. Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiters und des Al2O3 induzieren eine kompressive Verspannung im III-V Nanodraht. HfO2 Hüllen um InAs Nanodrähte haben signifikante Anteile an kristallinen Phasen, welche die dielektrischen Eigenschaften beeinflussen. Die kristallinen Phasen werden durch Schichtstrukturen basierend auf Al2O3 und HfO2 unterdrückt.

In this thesis, the growth and structural properties of III-V semiconductor nanowires and nanowire heterostructures are studied. These nanowires represent structures suitable for both fundamental physics and applications in electronic devices such as (tunnel) field effect transistors. The III-V nanowires are grown with molecular beam epitaxy, high κ dielectric layers are deposited conformally around the nanowires by atomic layer deposition. The morphological and structural characteristics of the obtained structures are analyzed by scanning and transmission electron microscopy as well as x-ray diffraction.InAs nanowires are grown via two different growth mechanisms on both GaAs and Si (111) substrates. The growth proceeds either in the vapor-liquid-solid mechanism involving a liquid In droplet or via the vapor-solid growth mechanism without the use of any catalyst particle. A thorough analyzes of the impact of the substrate preparation on the nanowire growth is conducted and optimal parameters for the in situ and ex situ substrate preparations are identified. The vapor-solid grown InAs NWs exhibit a high density of stacking defects while the growth via the vapor-liquid-solid mechanism results in zinc blende twinning super lattices with a short wurtzite segment below the catalyzing In droplet. This wurtzite segment is attributed to a nucleation at the triple phase line between the vapor, the liquid droplet and the solid crystal. After developing a kinetic model for the presence of the wurtzite phase below the droplet, it becomes possible to include wurtzite segment of various lengths in GaAs and InAs nanowires grown via the vapor-liquid-solid mechanism.The growth of InAs and GaAs nanowires is successfully transferred to Si (100) substrates applying a texturing process to the Si substrate. This produces pyramids bound by {111} facets. An alignment of the pyramids with respect to the effusion cells allows us to control the nanowire growth direction and to study the impact of the growth parameters within a single growth experiment. Furthermore, the textured substrates enable a simultaneous integration of GaAs and InAs nanowires on the very same sample.Nanowire heterostructures are investigated by means of almost lattice matched combinations (InAs, GaSb and AlSb) as well as highly lattice mismatched heterostructures (GaAs/InAs and GaAs/InSb). The latter exhibit a lattice mismatch of 7% and 14%, respectively, resulting in the presence of misfit dislocations already for very thin shells. For zinc blende core-shell nanowires, three types of dislocations are identified: perfect dislocation, Frank partial dislocations and Shockley partial dislocations. Contrary, for the wurtzite core-shell segments only Frank partial dislocations are observed. GaAs/InAs core-shell NWs exhibit a pronounced morphological characteristic at the nanowire tip: the absence of the growth of the InAs shell. This is correlated with the presence of the wurtzite crystal phase. In combination with the control of the crystal phases in GaAs nanowires, we study the growth of the InAs shell in the vicinity of the wurtzite segment. A model is developed to describe the absence of the InAs shell on wurtzite GaAs and the impact of stacking faults and twin boundaries on the growth. GaAs/InSb heterostructure nanowires exhibit two growth regimes: an axial growth at high substrate temperatures and a radial growth at low temperatures. The axial growth is governed by the nucleation of an In droplet on the flat top facet of a GaAs nanowire stem. The radial growth evidences an additional mechanism of strain relaxation via tiled lattice planes. For both GaAs/InSb heterostructures, geometric phase analyzes reveal an abrupt and complete strain relaxation. Core-shell nanowires composed of InAs, GaSb and AlSb are free of misfit dislocations, the shell thicknesses significantly exceeds the critical thicknesses of planar heterostructures. InAs nanowire junctions based on the combination of several individual nanowires are obtained via the growth on Si (100) substrates with V-grooves. Three basic junctions are identified: L-shaped, T-shaped and X-shaped. In the junctions, the crystal structure is modified from a stacking fault rich structure to a zinc blende crystal structure via a solid phase transformation involving Shockley partial dislocations. A passivation of the nanowires is obtained by depositing Al2O3 and HfO2 high κ dielectrics by atomic layer deposition. The mismatch in thermal expansion coefficients between the semiconductor and the Al2O3 induces a compressive strain in the III-V nanowire. HfO2 covering InAs nanowires contain significant amounts of crystalline phases which are expected to influence the dielectric properties. The presence of crystalline phases is suppressed by laminate structures based on Al2O3 and HfO2.

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