Nanodraht-Heterostruktur Bipolartransistor (NW-HBT)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die technologische Weiterentwicklung elektronischer Bauelemente wird seit vielen Jahren durch die fortschreitende Skalierung vorangetrieben. Die Übertragung planarer Bauelemente in neue Geometrien, beispielsweise in Form von Nanodrähten, ermöglicht dabei eine zusätzliche Erschließung neuer Funktionalitäten mit hohen Integrationsdichten, einer umfangreichen Heterointegrierbarkeit sowie einer breiten Vielfalt der Materialkombinationsmöglichkeiten. In der Literatur veröffentlichte, nanodrahtbasierte Bauelemente weisen jedoch gegenüber lithografisch definierten Bauelementen limitierte Leistungen auf, welche u.a. in auftretenden Leckströmen begründet sein können. Während der Ladungstransport in planaren pn-Übergängen durch den Minoritätentransport dominiert wird, treten in Nanodrähten additive Ströme auf, welche eine komplexe, vom Shockley- Read-Hall-Modell abweichende Analyse erforderlich machen. Daher war im Projekt der Aufbau eines detaillierten Verständnisses der auftretenden Ladungstransport-Mechanismen in koaxialen Nanodraht-pn-Übergängen der Schlüssel zum Erfolg. Hierzu war zunächst die Identifikation der zuvor nicht betrachteten tunnelunterstützen Rekombination erforderlich, aus der eine zielgerichtete Unterdrückung auftretender Leckstrom-Pfade durch verlängerte Tunnelstrecken im pn-Übergang erfolgte. Das nun abgeschlossene Projekt beinhaltet eine ganzheitliche Betrachtung koaxialer Kern-Multihüllen Nanodrähte auf GaAs/InGaP Basis. Neben der epitaktischen Herstellung sowie der anschließenden, technologischen Weiterprozessierung zu elektrisch ansteuerbaren, elektronischen Bauelementen mit metallischen Kontakten wurde auch die grundlegende Materialcharakterisierung hinsichtlich der eingebauten Dotierstoffkonzentrationen in getaperten Nanodrahtkernen und -hüllen untersucht. Neben einfachen Widerstandsabschätzungen sowie der konventionellen Transferlängenmethode in lateralen metallischen Kontakten wurde hierbei zusätzlich ein 4-Spitzen-Rastertunnelmikroskop eingesetzt, mit welchem die Messspitzen direkt auf dem Nanodraht platziert werden konnten. Der Ladungstransport in koaxialen Nanodraht Kern-Hülle sowie Hülle-Hülle pn-Übergängen wurde mithilfe elektrischer Messungen bei Raum- und Tieftemperatur analysiert. Hierbei wurden sowohl diffusive als auch tunnelbasierte Stromtransportmechanismen identifiziert und mithilfe physikalischer Simulationen sowie mittels Elektrolumineszenz Spektroskopie verifiziert. Eine Unterdrückung dieser Tunnelmechanismen wird durch das Einbringen einer intrinsischen Zwischenhülle in den pn-Übergang erreicht, welche das elektrische Feld und damit die Tunnelwahrscheinlichkeit in der Raumladungszone reduziert. Anhand koaxialer npn- Nanodrahtstrukturen wurde abschließend der Einfluss der Tunnelstromunterdrückung auf das Sperrverhalten, auf die Injektionseffizienz sowie auf die grundlegende HBT Funktion demonstriert. Die Untersuchungen verdeutlichen dabei die Notwendigkeit einer effizienten Leckstromkontrolle für die weitere Optimierung pn-basierter Nanodrahtbauelemente. So gelang in Kooperation mit der Universität Jena eine Anwendung als lateral höchst auflösender Detektor für harte Röntgenstrahlung mit einem Bestwert der Auflösung von 200 nm und großer Robustheit. Diese nicht erwartete Anwendung fand über die Veröffentlichung in Nature Communication großes Interesse und wird zur Entwicklung weiterer Bauelemente auf der Basis hoch qualitativer Bauelemente aus pn Übergängen in III/V Nanodraht Heterostrukturen führen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Comparative analysis on resistance profiling along tapered semiconductor nanowires: multitip technique versus transmission line method, Journal of Physics: Condensed Matter 29 (2017)
A Nägelein, L Liborius, M Steidl, C Blumberg, P Kleinschmidt, A Poloczek, T Hannappel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1361-648x/aa801e) - Towards Nanowire HBT: Reverse Current Reduction in Coaxial GaAs/InGaP n(i)p and n(i)pn Core-Multishell Nanowires Phys. Status Solidi A 216, 1800562, 2019
L Liborius, F Heyer, K Arzi, C Speich, W Prost, F-J Tegude, N Weimann, A Poloczek
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssa.201800562) - Hot electrons in a nanowire hard X-ray detector, Nature Comm 11 (1), 4729, 2020
M Zapf, M Ritzer, L Liborius, A Johannes, M Hafermann, S Schönherr, J Segura-Ruiz, G Martínez-Criado, W Prost, and C Ronning
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-020-18384-x) - n-Doped InGaP Nanowire Shells in GaAs/InGaP Core–Shell p–n Junctions, Phys. Status Solidi B, 257 (2) 1900358, 2020
L Liborius, J Bieniek, A Nägelein, F-J Tegude, W Prost, T Hannappel, A Poloczek, N Weimann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssb.201900358) - Spatially Controlled VLS Epitaxy of Gallium Arsenide Nanowires on Gallium Nitride Layers, CrystEngComm 22 (17) 12339-1250, Feb. 2020
C Blumberg, L Liborius, J Ackermann, F-J Tegude, A Poloczek, W Prost, N Weimann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/C9CE01926J) - Tunneling‐Related Leakage Currents in Coaxial GaAs/InGaP Nanowire Heterojunction Bipolar Transistors, Phys. Status Solidi B 258, 2000395, 2021
L Liborius, J Bieniek, A Poßberg, F-J Tegude, W Prost, A Poloczek, N Weimann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssb.202000395)
