On the doping of Silicon nanowires grown by molecular beam epitaxy

Abstract

Nanodrähte aus Silizium (Si NWs) stellen eine potentielle Möglichkeit zur weiteren Verkleinerung der Strukturgrößen von Bauelementen in integrierten Schaltkreisen dar, speziell im Bereich der CMOSTechnologie. Auch im Bereich der Photovoltaik stellen Si NWs eine neue Alternative zu konventionellen flächenhaften Si-Scheiben dar.Auf Grund dieser sich abzeichnenden Perspektiven wurden diese 1-diemnsionalen Nanostrukturen in den letzten Jahren weltweit grundlegend untersucht. Für eine Integration von Si NWs in integrierten Schaltkreisen stellt die Möglichkeit ihrer i) definierten Dotierung und ii) das Einstellen eines vorgegebenen Dotierprofiles mit einer Ortsauflösung im Nanometerbereich eine Notwendigkeit dar. Hierzu gibt es weltweit verschiedene Ansätze. Die vorliegende Arbeit widmet sich speziell der Dotierung von Si NWs. Dabei wurden Wege zu einer insitu-Dotierung als auch zu einer ex-situ-Dotierung untersucht. Die für die Arbeit verwendeten Si NWs wurden am MPI Halle mittels der Molekularstrahl-epitaxie (MBE) generiert. Hierfür wurde die Vapor-liquid-solid“-Wachstumstechnik (VLS) angewendet, bei der das NW-Wachstum durch kleine Goldkolloide ausgelöst wird. Als Dotierstoffe für die NWs wurden sowohl Bor als auch Arsen und Phosphor verwendet. Die gewünschten p-n-Übergänge der NWs ließen sich durch eine Kombination von einer in-situ-Dotierung (während des MBE-Wachsums) und einer anschließenden ex-situ Dotierung mittels Ionenimplantation realisieren. Die VLS-erzeugten NWs wiesen alle eine kristalline <111> Orientierung auf. Die Morphologie der NWs wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahmen analysiert, ihre Kristallstruktur mittels hochauflösender Transmissions-elektronenmikroskopie (TEM, HREM). Die Si NWs zeigten nach der verwendeten Hochdosis-Implantation eine amorphe Struktur auf. Die üblicherweise bei 2-dimensional implantierten Schichten verwendeten Ausheiltechniken erwiesen sich als unzureichend für die Rekristallisation der amorphisierten, 1-dimensionalen NWs. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit unterschiedliche Techniken zur Rekristallisation untersucht, die auf verschiedenen thermischen Behandlungen des Probenmaterials beruhten. Dabei standen neben technologischen Methoden auch grundlegenden Fragen zu den mikroskopischen Vorgängen bei der NW-Rekristallisation im Mittelpunkt der Untersuchungen. Z.B. erwies sich eine thermische 2-Schritt-Behandlung bei 550°C und 950°C als erfolgreich. Einen wichtigen Teil der experimentellen Arbeiten stellte die Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Si NWs dar, die bei der Kleinheit der Objekte eine Herausforderung darstellte. Auch hierzu wurden verschiedene Meßmethoden angewendet. Zum einem wurden die NWs mittels AFM-Spitzen (Pt/Ir) direkt kontaktiert und einzeln vermessen. Dazu wurde eine entsprechende Mikromechanik in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) installiert. Aus den Daten solcher Strom-Spannungsabhängigkeiten konnte der spezifische Widerstand, die Ladungsdichteverteilung, aber auch der Einfluß der NW-Oberfläche zur unerwünschten Kompensation von freien Ladungsträgern ermittelt werden. Als ein interessantes experimentelles Ergebnis zeigte sich, daß die Schalenbereiche der NWs an elektrischen Ladungen stark verarmt waren. Nur bei sehr hohen Dotierkonzentrationen (> 1018 cm-3) konnte dieser unerwünschte Effekt kompensiert werden. Im Fall von ionen-implantierten NWs mit Bor-Ionen konnte eine 100%e elektrische Aktivierung der Dotieratome erzeugt werden. Bei einer Implantation mit Arsen und Phosphor zeigte sich jedoch, daß hier nur ein geringer Teil der Dotieratome aktiviert werden konnte, der spezifische Widerstand solcher NWs war 10 bis 100 höher als bei vergleichbaren B-dotierten Proben. Trotzdem zeigten die NWs mit p-n-Übergängen gute Charakteristiken einer Diode. Der gemessene, Idealitätsfaktor“ lag im Bereich von 2 ein Indiz für starke Oberflächenrekombinationen. Als zweites elektrisches Meßverfahren wurde die „scanning spreading resistance microscopy”-Technik (SSRM) angewendet. An Querschnittsproben der NWs wurde sowohl der radiale als auch der axiale Widerstand punktuell mit einem lokalen Auflösungsvermögen von 5 Nanometern vermessen. Aus diesen Meßdaten konnte die räumliche Verteilung der Ladungsträgerkonzentration in einem NW ermittelt werden. Es zeigte sich, daß im Fall der As- und P-dotierten NWs starke Segregationen der Dotieratome für den gemessenen hohen spezifischen Widerstand verantwortlich gemacht werden können.