In dieser Arbeit wird das epitaktische Wachstum von GaP/Si Heterostrukturen zur Herstellung von rauscharmen GaP/Si Nanodiodenarrays untersucht, wobei eine top-down Ätztechnik zur Herstellung der verwendeten Nanodiodenarrays genutzt wurde. Zur Untersuchung der gewachsenen Schichten wurden Röntgenstreuung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie sowie die elektrische Charakterisierung mittels Strom-Spannungs und Kapazität-Spannungsmessungen verwendet. Zudem wurde die Grenzfläche zwischen epitaktischer Schicht und Substrat mittels Niederfrequenter Rauschspektroskopie (LFN) untersucht. Die GaP-Schichten wurden auf p-dotierten Si (100) Substraten mittels eines Riber-32P Gasquellen-Molekularstrahlepitaxiesystems gewachsen. Die Abhängigkeit der Oberflächenbeschaffenheit und Kristallqualität von denWachstumsbedingungen, wie der Wachstumstemperatur, wurden intensiv untersucht, um die Defektdichte zu minimieren. Dafür wurden nominal 500 nm dicke Heterostrukturschichten beiWachstumstemperaturen von 550 °C, 400 °C und 250 °C gewachsen, wobei 400 °C als die optimale Wachstumstemperatur bestimmt wurde. Trotzdem waren die erhaltenen Schichten aufgrund der hohen Versetzungsdichte von schlechter Qualität. Eine nur sehr geringe Qualitätsverbesserung konnte durch einen in situ durchgeführten thermischen Annealingschritt bei 500 °C für 10 Minuten erreicht werden. Daher wurde eine neue Annealingmethode vorgeschlagen, die in dieser Arbeit step-graded annealing (SGA) genannt wird. Bei dieser Methode wurde die Temperatur schrittweise von 400 °C auf 480 °C innerhalb von 90 Minuten erhöht. Dabei wurde die Oberfläche die gesamte Zeit mittels Reflexion hochenergetischer Elektronen (RHEED) untersucht. Die Oberflächenrekonstruktion, die während des Annealens mittels RHEED beobachtet wurde, zeigte schließlich eine große Verbesserung der Kristallqualität. Die Gitterparameter von GaP wurden mittels asymmetrischer XRD gemessen, wobei festgestellt wurde, dass sie exakt denen von Volumen-GaP entsprechen. Zudem wurde festgestellt, dass die GaP-Schicht automatisch n-dotiert ist und diodentypisches Gleichrichtungsverhalten aufweist. Interessante Informationen über Fallenzustände in den Heterostrukturfilmen konnten mittels LFN-Messungen gefunden werden. In einer nicht annealten Probe wurden beispielsweise zwei Fallenzustände im Bereich der Bandlücke festgestellt. In den mittels der SGA-Methode annealten Proben wurde hingegen ein rauscharmes und fallenfreies System erhalten. Anschließend wurde Elektronenstrahllithografie (EBL) zum Erstellen von Nanomustern auf der Oberfläche genutzt, die zur Herstellung von Nanodrähten genutzt werden sollen. Zur Optimierung der Elektronenstrahllithografie wurden dabei GaPSubstrate aufgrund der im Vergleich zu den epitaktischen Schichten besseren und glatteren Oberflächenstruktur genutzt. Dabei konnten in einer Goldschicht 200 nm große Löcher in einem Gitter mit hoher Dichte auf GaP erstellt und in die GaPSchicht übertragen werden. Die metallunterstütztes chemisches Ätzen (MacEtch) genannte Technik wurde kürzlich vorgeschlagen und eignet sich für die Herstellung von Nanodrähten. Die Anwendung zur Herstellung von Nanodrähten aus GaP war herausfordernd aufgrund bisher begrenzter Anwendung für III-V Halbleiter. Zur Optimierung der MacEtch Technik wurde zunächst wieder GaP-Substrat verwendet, um den Einfluss von Kristalldefekten und der Oberflächenrauigkeit auf die Ergebnisse zu minimieren. Genutzt wurde ein Gemisch aus Lösungen von HF/KMnO4 mit verschiedenen Konzentrationen. Mit den so bestimmten Prozessbedingungen konnten erfolgreich GaP Nanodrähte aus GaP-Epilayern hergestellt werden. GaP/Si Heteroübergangsnanodioden wurden anschließend unter Nutzung von Au-Ge/Ni Kontakten zu GaP-Schicht und Al/Ni Kontakten zum rückseitigen Si hergestellt. Die Transporteigenschaften des Nanodiodenarrays bestätigen die Möglichkeit, diese Arrays als elektronische NiederLärmbauelemente einzusetzen. / An epitaxial growth of GaP/Si heterostructures for the fabrication of low-noise GaP/Si nanodiode array based on nanowires is reported. The grown films were characterized using X-ray diffraction, scanning-electron microscopy, atomic-force microscopy and electrical measurements. Besides that, the interface between the epilayer and the substrate was deeply studied using a low-frequency noise (LFN) spectroscopy. The GaP epilayers were grown on p-type Si (100)substrates using gas-source molecular-beam epitaxy system. The dependence of surface morphology and crystal quality on the growth conditions was intensively investigated for minimizing the defects. The heterostructure films were grown at an optimal growth temperature of 400 °C and a nominal thickness of 500 nm. In order to improve the crystalline quality of the heterostructures, a new thermal annealing method was proposed, and referred to as step-graded annealing (SGA). In this method, the temperature was increased gradually to the annealing temperature to reduce the strain relaxation in the epilayers. A highly improvement in the crystal quality was confirmed using the SGA method. In addition, the epilayers were found to be n-type autodoped, and exhibited diode rectification behavior. Furthermore, the trap levels in the band gap, which were revealed via LFN measurements, were found to be suppressed in the annealed films. Thereafter, gold-mesh nanopatterns on the GaP surfaces were fabricated using an electron-beam lithography, as a step for the fabrication of GaP nanowires. A metal-assisted chemical etching technique with a mixture of HF:KMnO4 was carried out to fabricate GaP nanowires. GaP/Si heterojunction nanodiodes were then fabricated using an Au-Ge/Ni contact on the top of the GaP nanowires as well as an Al/Ni contact on the backside of Si. Transport properties of the nanodiode array confirmed the possibility of using the array as a low-frequency electronic device.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/18345 |
| Date | 06 February 2017 |
| Creators | Hussein, Emad Hameed |
| Contributors | Masselink, W.Ted, Fischer, Saskia F., Bickermann, Matthias |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/de/ |
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