Silicon nanowires - synthesis, fundamental issues, and a first device

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese von Siliziumnanodrähten, verschiedenen fundamentalen Aspekten des Wachstums von Siliziumnanodrähten und der Herstellung eines ersten Bauteils basierend auf Siliziumnanodrähten. In Kapitel 1 wird die experimentelle Herstellung von mittels des Vapor-Liquid-Solid (VLS) Mechanismus und unter Verwendung von Gold als Katalysator epitaktisch auf Siliziumsubstraten gewachsenen Siliziumnanodrähten demonstriert und im Detail beschrieben. Da die Verwendung von Gold als Katalysator jedoch zumeist als unvereinbar mit industriellen Halbleiterfertigungsmethoden angesehen wird, ist speziell in Hinblick auf die mögliche Anwendung von Siliziumnanodrähten in integrierten Schaltkreisen der Austauch von Gold durch einen alternativen Katalysator von großem Interesse. Sechs verschiedene Materialien (Palladium, Eisen, Dysprosium, Wismut, Indium und Aluminium) wurden auf ihre Verwendbarkeit als alternative Katalysatoren hin getestet. Die Ergebnisse werden in Kapitel 1 diskutiert. Die drei darauf folgenden Kapitel befassen sich mit jeweils einem spezifischen Aspekt der Synthese von Siliziumnanodrähten. In Kapitel 2 wird die Abhängigkeit der Wachstumsgeschwindigkeit vom Nanodrahtdurchmesser untersucht. Dies ist von grundlegender Bedeutung, da die Länge der Siliziumnanodrähte gewöhnlich über die Wachstumsdauer eingestellt wird, was ein Verständnis der Faktoren, die die Wachstumsgeschwindigkeit bestimmen, voraussetzt. Bezüglich der Abhängigkeit der Wachstumsgeschwindigkeit vom Durchmesser wurden von verschiedenen Gruppen unterschiedliche, scheinbar widersprüchliche Beobachtungen gemacht. In Kapitel 1 wird ein Modell abgeleitet, das, stationäres Wachstum voraussetzend, das Wechselspiel zweier Unterprozesse des VLS Mechanismus berücksichtigt. Im Rahmen dieses Modells können die scheinbar widersprüchlichen Beobachtungen schlüssig erklärt werden. Darüber hinaus liefert das Modell eine Erklärung für den beobachteten Zusammenhang zwischen der Druckabhängigkeit und der Durchmesserabhängigkeit der Wachstumsgeschwindigkeit. Kapitel 3 befasst sich mit der Durchmesservergrößerung von epitaktisch gewachsenen Siliziumnanodrähten an der Stelle, wo diese mit dem Substrat verbunden sind. Diese Verbreiterung der Nanodrähte kann auf eine Änderung des Kontaktwinkels des Katalysatortropfens in der initialen Wachstumsphase zurückgeführt werden. In Kapitel 3 wird ein Modell zur quantitativen Beschreibung der Durchmesservergrößerung abgeleitet, dass die Gleichgewichtsform des Katalysatortropfens in Beziehung zur jeweiligen Nanodrahtgeometrie und zur Balance zwischen Oberflächenspannungen und Linienspannung setzt. Ein Vergleich der experimentell beobachteten Form der Verbreiterung mit den Ergebnissen aus der Modellrechnung erlaubt Rückschlüsse auf die Grösse der Linienspannung. Darüber hinaus ergeben sich als Ergebnis der Modellrechnung, abhängig von Größe und Vorzeichen der Linienspannung, zwei unterschiedliche Wachstumsmoden. Kapitel 4 befasst sich mit der kristallographischen Wachstumsrichtung der Siliziumnanodrähte, einem Parameter der speziell für epitaktisch gewachsene Nanodrähte von großer Bedeutung ist. Interessanterweise zeigt sich aus experimentellen Beobachtungen, dass die Wachstumsrichtung vom Durchmesser der Nanodrähte abhängt. Ein Modell wird postuliert, demzufolge die Änderung der Nanodraht-Wachstumrichtung auf das Wechselspiel zwischen der Oberflächenspannung und der Au/Si Grenzflächenspannung der Nanodrähte und das unterschiedliche Skalierungsverhalten der beiden Parameter zurückgeführt werden kann. Im Anschluss an diese teilweise theoretischen Betrachtungen zur Morphologie befasst sich Kapitel 5 mit den elektrischen Eigenschaften von dotierten Siliziumnanodrähten. Es werden temperaturabhängige Messungen präsentiert und im Detail diskutiert. Es zeigt sich, dass die Drähte zwar ein aufgrund der Dotierung zu erwartendes Verhalten zeigen, dass jedoch die effektive Ladungsträgerkonzentration in den Siliziumnanodrähten überraschend gering ist. Dies kann vermutlich auf den Einfluss von Si/SiO2 Grenzflächenzuständen an der Außenhaut der Nanodrähte zurückgeführt werden. Um dies aufzuzeigen wird ein allgemeines Modell zum Einfluss von Si/SiO2 Grenzflächenzuständen und Grenzflächenladungen auf die effektive Ladungsträgerkonzentration in Siliziumnanodrähten abgeleitet. Zuletzt wird in Kapitel 6 die Herstellung eines Feldeffekt-Transistors basierend auf epitaktisch gewachsenen und dotierten Siliziumnanodrähten präsentriert. Hierbei ist besonders hervorzuheben, dass, im Gegensatz zur herkömmlichen planaren Anordnung, in unserem Fall das Transistor-Gate den vertikalen Nanodraht radial umschließt, was theoretisch eine bessere elektrostatische Kontrolle ermöglicht. Die Durchführbarkeit des vorgeschlagenen Herstellungsprozesses und die Funktionalität der auf diese Weise hergestellten Nanodraht-Transistoren wird durch elektrische Messungen demonstriert.

The purpose of this thesis is to illuminate several aspects regarding the synthesis of silicon nanowires, their electrical properties, and the fabrication of a first device made thereof. Following an introductory survey of important results in silicon nanowire research, Chapter 1 deals with silicon nanowire growth from an experimental point of view. After a detailed description of the experimental setup, the wafer preparation, and the growth procedure, experimental results concerning the epitaxial growth of silicon nanowires with gold are presented. Gold is presently the standard catalyst material for silicon nanowire growth. Yet, serious concerns exist, whether silicon nanowires grown with gold as catalyst can ever become compatible with existing electronics fabrication technology. Therefore, replacing gold by an alternative catalyst material is of great importance. In the second half of Chapter 1 we present silicon nanowire growth results using different catalyst materials: palladium, iron, dysprosium, bismuth, indium, and aluminum. The three chapters following thereupon each addresses a fundamental silicon nanowire growth issue. Chapter 2 is devoted to the diameter dependence of the silicon nanowire growth velocity. Since the silicon nanowire length is usually controlled by adjusting the growth time, a knowledge of the factors that determine the growth velocity is crucial. Concerning the diameter dependence of the growth velocity, seemingly contradictory observations were made by different groups. Considering the steady state supersaturation of the catalyst droplet we will derive a model that conclusively explains the differences in the observed behavior. Furthermore, our model links the pressure dependence of the growth velocity to the diameter dependence of the growth velocity; an insight that might be useful for an optimization of the growth conditions. Focus of Chapter 3 is on the diameter increase at the nanowire base that can be observed for nanowires grown via the vapor-liquid-solid mechanism on a solid substrate. An explanation for this phenomenon is given in terms of a model that takes the shape of the catalyst droplet into account. In addition, the influence of the line tension on the nanowire morphology is discussed. Chapter 4 deals with the crystallographic growth direction of silicon nanowires, a parameter that is of great importance especially in view of the technical applicability of epitaxially grown silicon nanowires. Experimental results presented in this chapter indicate a diameter-dependent change of the growth direction. We will propose a possible explanation for this growth direction change by taking the interplay of the surface and interface tensions of silicon nanowires into account. After these partially theoretical considerations with regard to the nanowire morphology, the electrical properties of silicon nanowires will be subject of Chapter 5. In the beginning of this chapter we will derive a model for the dependence of the charge carrier density of a silicon nanowire on the density of interface traps and interface charges located at the Si/SiO2 interface. Subsequently, temperature-dependent electrical measurements of both p-doped and n-doped silicon nanowires are presented and discussed in detail. It will be seen that indeed the influence of interface traps and interface charges on the electrical properties can not be neglected. To some degree, the electrical characterization described in Chapter 5 may be seen as a preparatory work for Chapter 6. Having electronic applications of silicon nanowires in mind, the fabrication of a silicon nanowire field-effect transistor is naturally the first step. In this context, epitaxially grown silicon nanowires offer the decisive advantage that, owing to the vertical arrangement of the nanowires, a transistor gate can be wrapped around the silicon nanowire. In Chapter 6 we will present a process flow for the fabrication of an array of vertical surround-gate field-effect transistors out of epitaxially grown silicon nanowires. The feasibility of the fabrication process and the basic functionality of the devices is at last demonstrated by an electrical characterization of such an array of silicon nanowire surround-gate field-effect transistors.