Selektives MOVPE-Wachstum von lateralen In$_{1-x}$Ga$_{x}$As Nanostrukturen auf Silizium Substraten

Wierzkowski, Thorsten; Morgenstern, Markus; Grützmacher, Detlev

doi:39079

Selektives MOVPE-Wachstum von lateralen In$_{1-x}$Ga$_{x}$As Nanostrukturen auf Silizium Substraten = Selective area MOVPE of lateral In$_{1-x}$Ga$_{x}$As nanostructures on silicon substrates

Wierzkowski, Thorsten^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Thorsten Wierzkowski, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (VI, 108, xiv Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-01642
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/782071/files/782071.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
III/V (frei) ; MOVPE (frei) ; crystal growth (frei) ; nanostructures (frei) ; nanowires (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In der Wissenschaft treten bisweilen überraschende Beobachtungen auf. Das Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen und die willentliche Reproduktion können dann zu erstaunlichen Neuerungen führen. Auch im Rahmen dieser Arbeit konnte so eine Methode gefunden werden, mit dem sich neuartige laterale In1-xGaxAs Nanodrahtstrukturen in einem selektiven Wachstumsprozess direkt auf Si-Substraten unterschiedlicher Kristallorientierung erzeugen lassen. Eine Analyse von Kristallen, die während eines Hochtemperaturprobenvorbereitungsschritts ohne Nutzung von Gruppe-III Quellenmaterial entstanden sind, führte zunächst zu der selektiven Erzeugung von einzigartigen lateralen In0.2Ga0.8As Nanostrukturen auf den Si (110) Wachstumstemplates. Diese Nanostrukturen, die interessant für zahlreiche (opto)elektronische Anwendungen werden könnten, wachsen in den in der Substratebene liegenden [-110], [-112] und [1-12] Orientierungen. Trotz des hohen Gitterkonstantenunterschieds und der polaren/unpolaren Grenzfläche zeigten TEM-Analysen selbiger eine perfekte Zinkblendestruktur, die zudem nahezu defektfrei ist. Es konnte außerdem demonstriert werden, dass diese lateralen Strukturen auch als Basis für laterale InAs Nanodrähte nutzbar gemacht werden können. Auf Si (110) Substraten konnten zudem InAs Strukturen erzeugt werden, die uhrzeigerartig lateral auf der Substratoberfläche wachsen. Die Zeiger dieser Strukturen ließen sich im Folgenden auch selektiv in nanostrukturierten Gräben realisieren. Der selektive In0.2Ga0.8As Wachstumsprozess konnte auch auf die in der Halbleiterindustrie wichtigen Si (100) Wachstumstemplates übertragen werden. Hierbei ließen sich laterale Nanodrähte erzeugen, die ebenfalls eine nahezu defektfreie Zinkblendestruktur aufweisen. Gleichartige Nanostrukturen konnten auch für die Halbleiter In0.6Ga0.4As und InAs realisiert werden. Dabei zeigte sich, dass mit steigender Indium-Konzentration die Stapelfehlerdichte wegen der größer werdenden Ionizität in diesen Strukturen zunahm. Interessanterweise liegen diese Stapelfehlerebenen parallel zur elektronischen Transportrichtung, so dass diese nicht durchschnitten wird. Die lateralen InAs Nanodrähte bildeten die Grundlage für Feldeffekttransistoren. Aus den Transistorkennlinien konnte bei einem Nanodraht eine Feldeffekt-Elektronenbeweglichkeit von µFE = 4412 cm²/Vs abgeschätzt werden, was auf das Potential dieser selektiv erzeugten lateralen In1-xGaxAs Nanodrahtstrukturen hindeutet.

In this work it was possible to find a way to grow novel lateral In1-xGaxAs nanowire structures in a SA-growth process directly on Si substrates of different crystal orientations. The analysis of crystals formed during a high-temperature sample preparation step without the use of Group-III source material initially led to the selective growth of unique lateral In0.2Ga0.8As nanostructures on Si (110) templates. These nanostructures, which could become interesting for numerous (opto)electronic applications, grow in the planar [-110], [-112] and [1 12] orientations. Despite the high lattice mismatch and the polar/nonpolar interface, TEM analyses show a perfect zinc blende structure, which is also nearly defect-free. It could also be demonstrated that these lateral nanostructures can be used as a basis for lateral InAs nanowires. In addition, InAs structures could be grown on Si (110) substrates, which grow like clock hands laterally on the substrate surface. The hands of these structures could also be grown selectively in nanostructured trenches. The selective In0.2Ga0.8As growth method was transferred to the technological important Si (100) substrates. Here, lateral nanowire structures could be grown which also exhibit an almost defect-free zinc blende crystal structure. Similar nanowires could be realized for the In0.6Ga0.4As and the InAs semiconductor material. It was shown that with increasing indium concentration the stacking fault density increased due to the increasing ionicity in these structures. Interestingly, these stacking fault planes are parallel to the electronic transport direction and hence are not intersecting the current transport in a future device. The lateral InAs nanowires were processed to field-effect transistors. From the transistor characteristics a field effect electron mobility of µFE = 4412 cm²/Vs could be estimated. This shows the potential of these selectively grown lateral In1 xGaxAs nanowires.

OpenAccess:
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