Advanced

Novel Processing and Electrical Characterization of Nanowires

Storm, Kristian LU (2013)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Nanoteknik och nanotrådar omnämns ofta media idag, men vad är egentligen en nanotråd, och vad kan den användas till? Dagens datorer, lysdioder och solceller är till stor del beroende av halvledare. En halvledare är ett kristallint material där man enkelt kan ändra ledningsförmågan. Man kan dels bestämma ledningsförmågan när materialet tillverkas genom att tillföra ytterst små koncentrationer av andra ämnen, dopämnen, och dels efter att materialet formats till en komponent, med hjälp av elektriska fält. Denna egenskap hos halvledare är ytterst användbar och har möjliggjort såväl datorrevolutionen, som den sett ut de senaste 50 åren, som dagens effektiva lysdioder och solceller. Det i särklass mest... (More)
Popular Abstract in Swedish

Nanoteknik och nanotrådar omnämns ofta media idag, men vad är egentligen en nanotråd, och vad kan den användas till? Dagens datorer, lysdioder och solceller är till stor del beroende av halvledare. En halvledare är ett kristallint material där man enkelt kan ändra ledningsförmågan. Man kan dels bestämma ledningsförmågan när materialet tillverkas genom att tillföra ytterst små koncentrationer av andra ämnen, dopämnen, och dels efter att materialet formats till en komponent, med hjälp av elektriska fält. Denna egenskap hos halvledare är ytterst användbar och har möjliggjort såväl datorrevolutionen, som den sett ut de senaste 50 åren, som dagens effektiva lysdioder och solceller. Det i särklass mest kända halvledarmaterialet är kisel som används i bland annat integrerade kretsar och solceller, men det finns många andra grundämnen och kombinationer av grundämnen som också är halvledare.



Nanotrådarna som undersöks i den här avhandlingen är också uppbyggda av halvledarmaterial. Istället för kisel har två andra halvledare undersökts, nämligen InP (indium-fosfid) och InAs (indium-arsenid). Nanotrådar skiljer sig från de “klassiska” halvledarna genom att de är formade till en tunn tråd istället för att tillverkas i en stor klump. Detta medför flera fördelar jämfört med det klassiska sättet att tillverka halvledare. Nanotrådar har en väldigt liten diameter, i storleksordningen 50 nm eller en tusendel av diametern av ett hårstrå. Denna lilla diameter gör att man kan kombinera olika material, vilka vanligtvis är svåra att kombinera i klassisk halvledarteknologi, i olika lager i nanotråden utan att defekter uppstår i kristallstrukturen. Detta medför nya användningsområden och gör det även möjligt att optimera existerande komponenter ytterligare.



Under det senaste decenniet har forskningen på nanotrådar accelererat kraftigt och det har blivit möjligt att tillverka nanotrådar i många olika sorters halvledarmaterial. Det har även upptäckts hur man kan tillföra dopämnen till nanotrådar för att ändra deras ledningsförmåga och därmed tillverka nanotrådskomponenter som anpassas för olika tillämpningar. Trots att kunskapen om hur man tillverkar nanotrådar i olika material och med olika elektriska egenskaper utvecklats snabbt, har möjligheten att i detalj undersöka och mäta dessa egenskaper släpat efter. Det är dels de små dimensionerna hos nanotrådarna och dels deras tredimensionella form som gör det besvärligt att utveckla verktyg för att karaktärisera dem.



Denna avhandling handlar om hur vi utvecklat metoder för att elektriskt karaktärisera nanotrådar. Klassiska mätmetoder, som länge funnits tillgängliga för traditionella halvledarmaterial, har anpassats för att kunna användas på nanotrådar. Två av dessa, Hall- och kapacitans-karaktärisering, är metoder som används rutinmässigt på klassiska halvledarmaterial.



I en Hallmätning kör man en ström genom provet man är intresserad av och lägger samtidigt på ett magnetfält. Elektronerna som färdas genom provet påverkas av magnetfältet och det uppstår en spänning, en Hallspänning, vinkelrätt mot strömriktningen. Denna spänning kan mätas och från storleken på spänningen är det möjligt att beräkna koncentrationen av elektroner i provet. Denna egenskap är viktig att mäta eftersom den bestämmer ledningsförmågan hos halvledaren. Första delen av avhandlingen beskriver hur metoden anpassats och nu för första gången kan tillämpas på nanotrådar. Nanotrådarna som undersöks med Hallmätningar är främst tänkta att ingå som det aktiva elementet i lysdioder och solceller.



Kapacitansmätningar är en annan mätmetod som används på klassiska halvledare. För att göra kapacitansmätningar isolerar man först halvledaren med t.ex. en oxid och lägger sedan en metallkontakt ovanpå oxiden. När man lägger på en positiv spänning på metallkontakten dras det elektroner till ytan på halvledaren. Kapacitansen i provet är ett mått på hur många elektroner som dras till ytan per volt spänning som läggs på metallkontakten. Genom att mäta kapacitansen kan man beräkna olika egenskaper såsom koncentrationen av elektroner i halvledaren samt antalet elektronfällor i den isolerande oxiden och även för gränsytan mellan halvledaren och oxiden. I andra delen av avhandlingen beskrivs hur denna mätmetod anpassades och för första gången användes på nanotrådar som står upprätt på en provplatta.



Slutligen beskrivs hur en nanotrådstransistor kan tillverkas på ett helt nytt sätt. En transistor är beroende av en så kallad gate, en styrterminal som används för att öppna eller stänga flödet av ström. De transistorer som hittills tillverkats av nanotrådar är vanligtvis två olika sorter; antingen står ett stort antal trådar upp på provet och medger därför att den gate som används till trådarna har optimal verkningsgrad, eller så tillverkas de av enskilda trådar som ligger ner på ett prov. I det senare fallet har det tidigare inte varit möjligt att använda en gate som är lika optimal som när trådarna står upp. I den sista delen av avhandlingen beskrivs hur en ny tillverkningsmetod utvecklats för att kunna göra en gatekontakt i en optimal geometri till enskilda nanotrådar som samtidigt ligger ner på ett prov.



Arbetena som presenteras i den här avhandlingen utökar verktygslådan som finns tillgänglig för forskare som arbetar med nanotrådar. Detta leder till mer kunskap om hur man tillverkar och förbättrar avancerade nanotrådskomponenter och bidrar förhoppningsvis till att dessa finner tillämpningar inom solceller, lysdioder och transistorer. (Less)
Abstract
This thesis investigates novel electrical nanowire characterization tools and devices. Conventional characterization methods, long available to bulk semiconductor samples, have been adapted and transferred to the nanowire geometry. The first part of the thesis describes the development of Hall effect measurements, an entirely new characterization tool for nanowires. It is shown that Hall effect measurements can be performed on InP core-shell nanowires using a self-aligned lifting layer. By combining experimental data with results from simulations of band diagrams and current distribution under the influence of a magnetic field, the carrier density in the n-type nanowire shell can be determined.

We found that the nanowire shell... (More)
This thesis investigates novel electrical nanowire characterization tools and devices. Conventional characterization methods, long available to bulk semiconductor samples, have been adapted and transferred to the nanowire geometry. The first part of the thesis describes the development of Hall effect measurements, an entirely new characterization tool for nanowires. It is shown that Hall effect measurements can be performed on InP core-shell nanowires using a self-aligned lifting layer. By combining experimental data with results from simulations of band diagrams and current distribution under the influence of a magnetic field, the carrier density in the n-type nanowire shell can be determined.

We found that the nanowire shell exhibits a doping gradient along the length of the nanowire. This doping

inhomogeneity is important to account for and engineer when making devices using InP nanowires.



The second part of the thesis demonstrates how capacitance-voltage measurements can be performed on arrays of InAs nanowires. Using a novel device structure, the capacitance signal from the nanowires can be distinguished from parasitic capacitances. A model was developed to simulate the capacitance-voltage behavior of the nanowires and was fitted to the experimental data to extract the doping concentration. Furthermore, the hysteresis observed in the capacitance-voltage sweeps was used to calculate the trap density close to the InAs-HfO2 dielectric interface.



Finally, studies of gate effects in nanowires are presented. We demonstrate how the gating efficiency is improved by means of wrapped or semiwrapped gates on nanowires. Field-effect transistors made from InP nanowires are described that exhibit both ambipolar behavior and gating efficiency only 13% lower than the theoretical limit. These properties were used to fabricate a field-effect diode, a device in which a p-n junction is formed without any doping incorporation in the active region. We also demonstrate how nanowires positioned laterally on a substrate can be equipped with a fully wrapped gate electrode. This device was developed as part of a platform to perform basic research in which a uniform gating effect is desired. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Dapkus, Daniel, University of Southern California, USA
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Gate, Capacitance, Hall effect, InP, InAs, Characterization, Nanowires, Processing, LED, Transistor, Fysicumarkivet A:2013:Storm
pages
135 pages
defense location
Lecture hall Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2013-04-19 13:15
ISBN
978-91-7473-482-9
language
English
LU publication?
yes
id
ad938a5f-d0b2-43ce-a457-b6239cd716e4 (old id 3626059)
date added to LUP
2013-03-27 13:29:55
date last changed
2016-09-19 08:45:19
@phdthesis{ad938a5f-d0b2-43ce-a457-b6239cd716e4,
  abstract     = {This thesis investigates novel electrical nanowire characterization tools and devices. Conventional characterization methods, long available to bulk semiconductor samples, have been adapted and transferred to the nanowire geometry. The first part of the thesis describes the development of Hall effect measurements, an entirely new characterization tool for nanowires. It is shown that Hall effect measurements can be performed on InP core-shell nanowires using a self-aligned lifting layer. By combining experimental data with results from simulations of band diagrams and current distribution under the influence of a magnetic field, the carrier density in the n-type nanowire shell can be determined.<br/><br>
We found that the nanowire shell exhibits a doping gradient along the length of the nanowire. This doping<br/><br>
inhomogeneity is important to account for and engineer when making devices using InP nanowires.<br/><br>
<br/><br>
The second part of the thesis demonstrates how capacitance-voltage measurements can be performed on arrays of InAs nanowires. Using a novel device structure, the capacitance signal from the nanowires can be distinguished from parasitic capacitances. A model was developed to simulate the capacitance-voltage behavior of the nanowires and was fitted to the experimental data to extract the doping concentration. Furthermore, the hysteresis observed in the capacitance-voltage sweeps was used to calculate the trap density close to the InAs-HfO2 dielectric interface. <br/><br>
<br/><br>
Finally, studies of gate effects in nanowires are presented. We demonstrate how the gating efficiency is improved by means of wrapped or semiwrapped gates on nanowires. Field-effect transistors made from InP nanowires are described that exhibit both ambipolar behavior and gating efficiency only 13% lower than the theoretical limit. These properties were used to fabricate a field-effect diode, a device in which a p-n junction is formed without any doping incorporation in the active region. We also demonstrate how nanowires positioned laterally on a substrate can be equipped with a fully wrapped gate electrode. This device was developed as part of a platform to perform basic research in which a uniform gating effect is desired.},
  author       = {Storm, Kristian},
  isbn         = {978-91-7473-482-9},
  keyword      = {Gate,Capacitance,Hall effect,InP,InAs,Characterization,Nanowires,Processing,LED,Transistor,Fysicumarkivet A:2013:Storm},
  language     = {eng},
  pages        = {135},
  school       = {Lund University},
  title        = {Novel Processing and Electrical Characterization of Nanowires},
  year         = {2013},
}