Electron Transport in Semiconductor Nanowires

Abstract

In this thesis, semiconductor nanowires are studied from the point of view of growth and electrical properties. The growth of nanowires is done by chemical beam epitaxy (CBE), an ultra-high vacuum technique allowing a precise control of precursor deposition and low growth rates. In conventional epitaxy, growth is usually two or three- dimensional, depending on growth conditions and material combinations. Here we have used Au metal particles to catalyze one-dimensional growth perpendicular to the substrate surface. By switching the sources during growth, heterojunctions can be formed inside the wires. We have studied the InAs/InP system, which has a sufficiently high lattice mismatch to prevent defect free growth in conventional geometries. However, due to the small diameter of the wires, usually 20-70 nm, the strain can be accomodated by lateral relaxation within a few atomic layers without forming dislocations. Therefore nanowires offer an extended opportunity for bandgap engineering and open prospects for designed quantum components inside nanowires. Electrical measurements on homogeneous InAs nanowires have been performed as a function of applied source-drain voltage, Fermi level position, temperature, and magnetic field. The wires are n-type and function as field effect transistors at room temperature. Magneto-transport measurements at low temperatures showed a crossover from weak localization to weak anti-localization as the Fermi level increases. From the data, elastic scattering length, phase coherence length and spin scattering length were determined to roughly 80, 250, and 200 nm respectively. Finally, measurements on InAs wires containing InP segments have been performed with emphasis on single segments and double barriers. A thick InP potential barrier effectively blocks tunneling at low temperature and bias voltage. Thermal excitation over the barrier was used to deduce a 600 meV high barrier for the electrons. Finally different double barrier structures with varying quantum dot length were fabricated. Large dots where the energy level spacing is much smaller than the charging energy resulted in single electron transistors. As the dot length is reduced, the influence of the energy level spacing becomes more important, and at a dot size of 10 nm the quantum dot is completely empty of electrons. By applying a positive gate voltage electrons can then be added to the dot one by one. The filling of the dot results in a shell structure due to spin and orbital degeneracies of the system. These devices also function as resonant tunneling transistors.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling behandlar tillväxt av och elektriska mätningar på halvledande nanotrådar av indiumarsenid (InAs) och kombinationer av InAs och indiumfosfid (InP). En nanotråd är som namnet antyder en tunn solid tråd, som påminner om ett hårstrå fast med en diameter på typiskt 50 nm (en nanometer är en miljarddels meter, 10^-9 m) och längden kan vara allt från 100 nm upp till flera mikrometer. En nanotråd har således en diameter som är circa 2000 gånger mindre än ett hårstrå. En InAs tråd är uppbyggd av indium (In) och arsenik (As) atomer som sitter bundna till varandra i en ordnad struktur, ett sk gitter, och bildar en kristall. Avståndet mellan två atomer i gittret är ungefär 0.6 nm. En 50 nm nanotråd har alltså en diameter på 80 atomer. Dock varierar atomavståndet beroende på material. Trådarna tillverkas genom så kallad kristalltillväxt eller epitaxi med en metod som heter kemisk strålepitaxi. Denna metod går ut på att bombardera en kristallin yta med en stråle av atomer som kan bindas in på ytan atomlager efter atomlager och ordnas i samma mönster som den underliggande ytans gitter. Vid konventionell strålepitaxi växer kristallen fram lager för lager över hela ytan med samma hastighet och man får ett två-dimensionellt skikt. För att kunna producera nanotrådar behöver man lokalt kunna få en högre tillväxthastighet så att en endimensionell växt uppstår. Detta åstadkoms genom att deponera små guldpartiklar på provytan innan tillväxten startas. Dessa guldpartiklar fungerar som katalysatorer och ökar kristalltillväxten under partikeln, medan tillväxten på den övriga ytan förblir densamma. Ytterliggare en finess med epitaxi är att man kan byta material under växten och på så sätt skapa heterostrukturer som kan användas för att designa nya komponenter. Tyngdpunkten i denna avhandling är dessa trådars elektriska egenskaper. Ett materials elektriska egenskaper beror på vilken kristallstruktur som atomerna sitter ordnade i, hur rent materialet är, om det finns heterostrukturer, vid vilken temperatur materialet används, etc. De grundläggande egenskaperna uppstår på grund av den ordnade kristallstrukturen. Då elektronerna rör sig i kristallen påverkas de av atomkärnorna och kommer att kunna ha vissa bestämda energier (eller hastigheter) medan andra är förbjudna. Om man skapar en heterostruktur kommer elektronerna uppleva en annorlunda energistruktur, och genom att kombinera rätt material kan man skapa till exempel en barriär för elektronerna så att de inte kan ta sig förbi heterostrukturen. Om heterostrukturen görs väldigt tunn (typiskt 5 nm), bildas en barriär som i klassisk fysik stoppar elektronernas framfart. Men enligt kvantmekanikens lagar så finns det en liten chans att elektronen tunnlar genom barriären och fortsätter färdas på andra sidan. Med hjälp av detta fenomen kan man skapa en mängd komponenter som inte har någon motsvarighet i vanliga elektroniska komponenter. En sådan komponent är enelektron transistorn, som består av två tunnelbarriärer i serie med en liten isolerad ö i mitten. Då en elektron tunnlar genom den första barriären in till ön kan den fastna där, och på grund av öns ringa storlek blir det omöjligt för en andra elektron att passera genom strukturen. Med hjälp av en närliggande elektrod kan man ändra på öns elektrostatiska potential och därmed också kontrollera när en elektron tillåts att passera strukturen. Den elektriska strömmen som flyter genom transistorn kan alltså kontrolleras elektron för elektron. Detta kan användas som väldigt energisnåla minnen, extremt känsliga laddningsdetektorer, och till och med kvantbitar som behövs för att kunna bygga en kvantdator. Det sistnämnda kräver dock att man kan tömma ön på elektroner så när som på den absolut sista. Genom att tillverka en transistor med 5 nm tunna barriärer och en 10 nm lång ö inuti en nanotråd har vi kunnat visa att antalet elektroner på ön kan kontrolleras fullständigt mellan noll upp till cirka 50.

• author: Björk, Mikael
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Takayanagi, Hideaki, Prof., NTT Basic Research, Japan
• organization: Solid State Physics
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Condensed Matter Physics
• keywords: heterostructures, single electron transistors, resonant tunneling, quantum dots, weak antilocalization, Halvledarfysik, field effect transistors, Semiconductory physics, Fysicumarkivet A:2004:Björk, Low-dimensional structures, nanowires, chemical beam epitaxy
• pages: 140 pages
• defense location: Lecture hall B, Dept of Physics, Sölvegatan 14, Lund Institute of Technology
• defense date: 2004-10-01 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN:LUFTD2/TFFF-0072
• ISBN: 91-628-6165-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: B. J. Ohlsson et al., Appl. Phys. Lett. 79, 3335(2001). Article: L. E. Jensen et al., accepted in NanoLetters. Article: M. T. Björk et al., NanoLetters 2, 87(2002). Article: M. T. Björk et al., Appl. Phys. Lett. 80, 1058(2002). Article: M. T. Björk et al., Appl. Phys. Lett. 81, 4458(2002). Article: C. Thelander et al. Appl. Phys. Lett. 83, 2052(2003). Article: C. Thelander et al., Solid State Communications 131, 573(2004). Article: M. T. Björk et al., accepted in NanoLetters. Article: A. E. Hansen et al., manuscript. Article: A. E. Hansen et al., manuscript.
• id: 6a4fcc27-3534-453e-8213-188c932a4e8d (old id 467363)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:23:35
• date last changed: 2018-11-21 21:04:34