Atomic Scale Characterization of III-V Nanowire Surfaces

Abstract

This dissertation focus on the atomic-scale characterization of the surface properties and electronic structure of III–V semiconductor nanowires (NWs). Since the early 2000s, the fabrication and characterization of III–V NWs has been a very significant topic within material science due to their potential for applications in lighting, energy harvesting, and electronics. A prominent feature of the NW geometry is the ability to form heterostructures—both radially and axially—for shaping the electronic landscape in the NW. The heterostructures can consist of variations in the crystal structure, material composition, or a combination of the two. A pre-requisite for the fabrication of advanced heterostructures in NWs is an intricate knowledge concerning the atomic-scale surface properties as well as the material and crystal structure dependent electronic properties. However, little is known about the surface properties of III–V NWs and how the electronic structure behaves at the heterostructure interface at the atomic level.
In this dissertation I describe the work on the electronic properties of crystal structure heterojunctions in GaAs and InAs NWs, down to the atomic bilayer level. Scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/S) was used to probe the surface structure and electronic properties of NW surfaces with atomic resolution. Also, the effects of material overgrowth on GaAs and InAs NW surfaces was studied at the atomic scale. The studies allowed for the identification of nucleation sites, incorporation processes, and growth modes. Furthermore, quantum-size effects have been investigated within crystal phase structures in NWs.
Due to the large surface–to–volume ratio of nanostructures, the optical and electronic performance of NW devices is often impeded by surface defects. The quantity, origin and individual influence of such defects is unknown. I have used atomic-scale STM imaging of externally biased NW devices operando, as well as x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements, to investigate how surface oxides and atomic-scale defects affect the conductivity of NWs.

Abstract (Swedish)

Sedan mitten på 1900 talet har halvledarmaterial revolutionerat hur vi ser på världen genom uppfinningar som det har gett upphov till, såsom datorer, solceller, och lysdioder. Det är möjligheten att kunna styra halvledarens förmåga att leda ström—mellan att vara nästan metallisk till att vara isolerande—som gör den användbar för tillämpningar inom elektronik. Under de senaste decennierna har elektroniska applikationer såsom datorer gått från att knappt få plats i ett rum till att lätt rymmas i en byxficka. Samtidigt har datorers processorkraft och effektiviteten ökat tusenfaldigt. Grunden till detta ligger i huvudsak i en miniatyrisering av halvledarkomponenter, till exempel transistorer, som gått från att vara centimeterstora till att rymmas inom några tiotals nanometer. En nanometer är en miljarddels meter. För att sätta dimensionerna i perspektiv: om en meter likställdes jordens omkrets, så skulle en nanometer ungefär motsvara längden på en tändsticksask (4 cm).

Att tillverka och studera objekt på nano-skalan kallas för nanoteknik. Nanoteknik används idag inom många områden såsom medicin, biologi, och fysik. Inom fysiken är nanoteknik viktig för tillverkning av till exempel transistorer, solceller och lysdioder. Tillverkning av sådana halvledarkomponenter bygger ofta på att man kombinerar material med olika elektroniska egenskaper. Genom att bygga (växa) och kombinera dessa material i lager på lager kan man skräddarsy komponentens egenskaper till att passa för diverse applikationer. Traditionellt sett har storskalig framställningen av sådan lager-på-lager-växt varit begränsad till att bara kunna växas i två dimensioner (2D). Ett stort problem med 2D-växt är att många materialtyper inte går att kombinera med varandra för att deras kristallstrukturer—det atomära mönstret i ett materialet—inte passar med varandra. Detta kan likställas med att försöka kombinera bitar av LEGO och Duplo med varandra.

I Lund har man de senaste åren experimenterat med att framställa en form av endimensionella halvledarstrukturer som kallas för nanotrådar. Nanotrådarna är stavformade strukturer med diametrar på nano-skalan och längder motsvarande tusentals nanometer. Nanotrådarnas små diametrar gör det möjligt att kombinera material trotts att deras kristallstrukturer inte passar med varandra. Detta öppnar upp enorma möjligheter för att bygga nya elektroniska komponenter med unika eller förbättrade egenskaper. En annan fördel med nanotrådarna är att man kan kombinera material på fler sätt än i 2D-växt: både längs med nanotråden men även i lager på lager som skal runt trådarna. Ytterligare en unik fördel med nanotrådar äratt det går att medvetet ändra kristallstrukturen i dem utan att faktiskt byta material, vilket liksom materialkombinationer kan styra nanotrådens egenskaper.

Fördelen med att bara kombinera kristallstrukturer istället för material är att ytskiktet där två olika material möts ofta har defekter som påverkar komponenten negativt. Sådana defekter uppkommer inte då bara kristallstrukturen ändras. Att till viss del ersätta traditionella materialkombinationer med kristallstrukturs-förändringar skulle således kunna förbättra elektroniska och optiska komponenter avsevärt. En förutsättning för detta är dock att kristallstrukturernas elektroniska och optiska egenskaperna är välkända, t.ex. hur snabbt och effektivt dom leder ström och vilka typer av ljus dom kan absorbera och emittera. Då vissa av kristallstrukturerna bara existerar i nanotrådar är de relativt svåra att studera med de metoder som traditionellt använts för 2D-material. Detta har resulterat i att många av de optiska och elektroniska egenskaperna är okända för dessa kristallstrukturer.

Således är inte nanotrådarnas optiska och elektroniska egenskaper fullt så bra som dom teoretiskt skulle kunna vara. En konsekvens av att bygga komponenter på nano-skalan är att andelen atomer som sitter på ytan av en struktur, jämfört med inuti, blir stor. Detta gör att en nanotråds optiska och elektroniska egenskaper helt kan bero på ytans egenskaper; till exempel om det sitter extra atomer ovanpå ytan eller fattas atomer i ytlagret. Hur dessa typer av defekter påverkar nanotrådarna är dock okänt. För att nanotrådar skall kunna uppnå sin fulla potential är det därför väldigt viktigt att ta fram lämpliga metoder för att kunna korrelera nanotrådarnas optiska och elektroniska egenskaper ner till den enskilda atomen.

I den här avhandlingen har jag använt mig av Sveptunnelmikroskopi och spektroskopi (STM/S) för att studera nanotrådsytor samt de elektroniska egenskaperna av olika kristallstrukturer. STM/S är en metod som gör det möjligt att studera ytor av material, samt deras elektroniska egenskaper, med upplösning bra nog till att kunna se enskilda atomer.

Avhandlingen behandlar halvledarmaterial, i huvudsak galliumarsenik (GaAs) och indiumarsenik (InAs). Dessa material har flera fördelar jämfört med det traditionella halvledarmaterialet kisel (Si). Exempelvis så rör sig elektroner väldigt snabbt i dessa material vilket gör att de lämpar sig för höghastighetselektronik. De har också överlägsna egenskaper som gör dem lämpliga som lysdioder och solceller. Jag har undersökt hur ändringar i kristallstrukturen påverkar nanotrådarnas elektroniska egenskaper. Jag har även studerat hur material växer på nanotrådsytorna för bättre kunna kontrollera lager-på-lager-växt med atomär kontroll på nanotrådar. Studier gällande hur enskilda defekter på nanotrådsytorna påverkar dess elektroniska egenskaper har också utförts. Det som upptäckts är av intresse för både grundforskning såsom tillämpningar inom till exempel elektronik.

• author: Knutsson, Johan
• supervisor: Anders Mikkelsen; Rainer Timm
• opponent: Professor Feenstra, Randall, Department of Physics, Carnegie Mellon University, USA
• organization: Synchrotron Radiation Research; Undergraduate Programme of Studies in Physics within Faculty of Science; NanoLund: Centre for Nanoscience
• publishing date: 2017-11
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Natural Sciences
• keywords: III–V semiconductor materials, nanowire, surface, scanning tunneling microscopy, wurtzite, zinc blende, scanning tunneling spectroscopy, Fysicumarkivet A:2017:Knutsson
• pages: 251 pages
• defense location: Rydberg Lecture Hall, Department of Physics, Sölvegatan 14A, Lund
• defense date: 2017-12-15 13:15:00
• ISBN: 978-91-7753-510-2
• ISBN: 978-91-7753-509-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 613f7122-584b-4d0b-986e-995fde762765
• date added to LUP: 2017-11-20 18:19:40
• date last changed: 2018-11-21 21:36:08