Analyse des Ladungstransports in radialen und axialen ladungstrennenden Kontakten aus III/V Halbleiter-Nanodrähten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Halbleiter-Nanodrähte stießen vor 20 Jahren das Tor weit auf zu einer neuen Form der Miniaturisierung elektronischer und optoelektronischer Bauelemente. Die Epitaxie von kristallinen, flächigen und modulations-dotieren Halbleiterschichten, die in Wachstumsrichtung eine Materialkontrolle im atomaren Maßstab ermöglicht, wurde in die dritte Dimension erweitert. Die in 3-D kontrolliert epitaktisch gewachsenen Drähte reduzieren den Materialverbrauch auf das aktive Bauelement. Da das Gitter der nm-dünnen Drähte sich elastisch verhält, konnten die Begrenzungen der Materialkombination in Halbleiter-Heterostrukturen durch die einfache Kristallrelaxation der dünnen Drähte enorm erweitert werden. Trotz dieser großen Vorteile gelang es noch nicht, Nanodraht (ND)-basierte Bauelemente kommerziell zu etablieren, z. B für Bauelemente wie Bipolar-Transistoren, Solarzellen oder Laser. Einer der wesentlichen Gründe ist die Problematik der hohen Leckströme in Ladungs-trennenden pn-Übergängen. Dieses Projekt zielt genau auf dieses Defizit mit dem umfassenden Anspruch, die physikalischen Mechanismen zu identifizieren, im ND zu lokalisieren und Ansätze zur Unterdrückung zu demonstrieren. Die Identifikation der physikalischen Mechanismen wurde durch eine Kombination von experimentellen Studien und physikalischer Simulation im System GaAs/GaInP vorangetrieben. Es wurde klar deutlich, dass das Shockley-Read-Hall Modell, welches pn-Übergänge aus optimierten pn-Übergängen in Halbleiterschichten perfekt beschreibt, nicht hinreichend ist. Die Kombination von experimentellen und Simulations- Studien zum pn-Übergang führten zur Erkenntnis, dass Tunnel-unterstütze Rekombinations- Mechanismen das Leckstrom-Verhalten im ND-pn-Übergang dominieren. Bei den vertikalen, auf dem Wachstumssubstrat verbliebenen Nanodrähten konnte zudem durch 4-Punkt- Messungen mit einem Multispitzen-Rastertunnelmikroskop (MT-STM) ein zusätzlicher Leckpfad über das Wachstumssubstrat lokalisiert werden, der für auf Kern-Mantel-Strukturen basierenden ND-Solarzellen von hoher Relevanz ist. Zudem wurde der Kontakt zwischen den Spitzen des MT-STMs und ND eingehend charakterisiert, bei dem im Allgemeinen Aufladungsund Entladungsprozesse auftreten, die zu Hysteresen führen und bei den STM-Messungen zu berücksichtigen sind. Die Erkenntnisse zu den Mechanismen und der Lokalisierung wurden erfolgreich für die Reduzierung des Leckstromes in Sperrrichtung umgesetzt. Hierzu wurden in die pn-Übergänge Abstandsschichten eingefügt, die den Leckstrom um 5-6 Größenordnungen absenken, ohne die Stromdichte in Flussrichtung merklich zu reduzieren. Mit diesem Ansatz wurde in Kooperation mit Partnerprojekten erfolgreich ND-Bauelemente erstellt. So gelang mittels axialen pn-ND-Strukturen die Herstellung eines äußerst leistungsstarken Detektors für harte Röntgenstrahlung sowie die erstmalige Realisierung eines ND-Hetero-Bipolartransistors, der eine aktive Stromverstärkung ausweist. Hiermit wurden grundlegende Erkenntnisse zum Leckstrom-Verhalten erfolgreich in Bauelemente umgesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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n‐Doped InGaP Nanowire Shells in GaAs/InGaP Core–Shell p–n Junctions. physica status solidi (b), 257(2).
Liborius, Lisa; Bieniek, Jan; Nägelein, Andreas; Tegude, Franz-Josef; Prost, Werner; Hannappel, Thomas; Poloczek, Artur & Weimann, Nils
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Hot electrons in a nanowire hard X-ray detector. Nature Communications, 11(1).
Zapf, Maximilian; Ritzer, Maurizio; Liborius, Lisa; Johannes, Andreas; Hafermann, Martin; Schönherr, Sven; Segura-Ruiz, Jaime; Martínez-Criado, Gema; Prost, Werner & Ronning, Carsten
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Tunneling‐Related Leakage Currents in Coaxial GaAs/InGaP Nanowire Heterojunction Bipolar Transistors. physica status solidi (b), 258(2).
Liborius, Lisa; Bieniek, Jan; Possberg, Alexander; Tegude, Franz-Josef; Prost, Werner; Poloczek, Artur & Weimann, Nils
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Leakage Current Suppression in Coaxial GaAs/InGaP Nanowire pn- Heterojunctions, NRW Nano Konferenz 2021.
L. Liborius et al.
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Multi-probe electrical characterization of freestanding core-multishell GaAs-GaInP nanowire structures, EMRS 2021
J. Koch et al.
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Polarity-controlled AlN/Si templates by in situ oxide desorption for variably arrayed MOVPE-GaN nanowires. Journal of Crystal Growth, 566-567, 126162.
Häuser, Patrick; Blumberg, Christian; Liborius, Lisa; Prost, Werner & Weimann, Nils
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Spatially high-resolution I-V characterization of freestanding core-shell nanowires, ACCGE 2021
J. Koch et al.
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Electrical Properties of the Base‐Substrate Junction in Freestanding Core‐Shell Nanowires. Advanced Materials Interfaces, 9(30).
Koch, Juliane; Liborius, Lisa; Kleinschmidt, Peter; Weimann, Nils; Prost, Werner & Hannappel, Thomas
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Influence of the measuring tip-to-semiconductor contact on the overall electrical characterization of nanowire structures, EMRS 2022
J. Koch et al.
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Spatially resolved multi-probe electrical characterization of GaAs-based nanowire structures, ICMOVPE 2022.
J. Koch et al.
