Advanced

Semiconductor Nanowires: Characterization and surface modification

Yngman, Sofie LU (2019)
Abstract
The topic of III-V nanowires is still, after more than two decades, a growing and lively research area. The areas of application are wide and contain such important topics as energy harvesting, cheap and efficient lighting, high efficiency detectors and new types of electronics. III-V materials offer properties superior to the widely used Si. They can have considerably higher carrier mobility which paves the way for high-speed electronics and a great flexibility in band gap which is fundamental for optoelectronics. Producing these materials in the form of nanowires presents additional advantages as it gives the opportunity to tailor the material by altering the crystal structure and material composition in ways not possible in larger... (More)
The topic of III-V nanowires is still, after more than two decades, a growing and lively research area. The areas of application are wide and contain such important topics as energy harvesting, cheap and efficient lighting, high efficiency detectors and new types of electronics. III-V materials offer properties superior to the widely used Si. They can have considerably higher carrier mobility which paves the way for high-speed electronics and a great flexibility in band gap which is fundamental for optoelectronics. Producing these materials in the form of nanowires presents additional advantages as it gives the opportunity to tailor the material by altering the crystal structure and material composition in ways not possible in larger structures as well as integrating them with existing standard materials platforms.
This combination of great materials in a small size has demonstrated potential for improved solar cells, high-speed low power transistors as well as energy efficient and flexible LEDs. But the promises come with challenges. The quality of the III-V surfaces is a significant factor for determining device performance, potentially both improving and limiting functionality. Further, the relevance of surfaces properties increases with decreasing sizes as the surface to bulk ratio goes up. This thesis focuses on characterization of semiconducting III-V surfaces with a special focus on nanowires, exploring recently developed methods, types of nanowires and nanowire synthesis.
Native oxides forming on the surfaces of III-V materials in air are adverse and impede the development of top-tier devices. The surfaces have to be cleaned of the detrimental oxides and protected as part of the manufacturing of components. In the present work X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) has been used to improve the understanding of different cleaning methods including the self-cleaning effect of atomic layer deposition (ALD) of high-k oxides.
Aerotaxy growth of nanostructures, where nanowires grow in a carrier gas, has arisen as a more cost effective and scalable production method than epitaxial growth on a solid substrate. Yet little is known about both the mechanism involved in the growth as well as about the quality of the resulting nanostructure surfaces. Here XPS and scanning probe microscopy (SPM) have been used to unravel the effect of doping on the surfaces of aerotaxy nanowires. Further, also a technique using small-angle X-ray scattering (SAXS) for in-situ characterization of the aerotaxy seed particles has been developed.
SPM has been a revolutionary tool for surface science since its invention. Central for the function of an SPM is the tip, which is usually made out of metal and formed by a simple electrochemical etching procedure. In this thesis the development of a high resolution GaN nanowire probe for SPM is described. It combines the optical and electronical advantages of GaN with the well-controlled tip formation at the end of a nanowire. (Less)
Abstract (Swedish)
Först halvledarteknik, sedan nanoteknik. Tillsammans utgör de huvuddelen av det vi definierar som modern teknik. Användandet av halvledare revolutionerade teknologin under mitten av 1900-talet genom möjligheten att kunna kontrollera halvledarmaterial till att vara antingen elektriskt isolerande eller ledande. Inom elektroniken utgör halvledarna den viktigaste beståndsdelen i till exempel datorer, lysdioder och solceller. En modern värld utan halvledarteknik är mycket svår att föreställa sig.
Nanoteknik beskriver teknik med komponenter i nanostorlek. En nanometer är 0.000000001 m, alltså en miljondel av en millimeter. För att få perspektiv så kan man föreställa sig att klyva ett typiskt människohår hundratusen gånger för att få ner... (More)
Först halvledarteknik, sedan nanoteknik. Tillsammans utgör de huvuddelen av det vi definierar som modern teknik. Användandet av halvledare revolutionerade teknologin under mitten av 1900-talet genom möjligheten att kunna kontrollera halvledarmaterial till att vara antingen elektriskt isolerande eller ledande. Inom elektroniken utgör halvledarna den viktigaste beståndsdelen i till exempel datorer, lysdioder och solceller. En modern värld utan halvledarteknik är mycket svår att föreställa sig.
Nanoteknik beskriver teknik med komponenter i nanostorlek. En nanometer är 0.000000001 m, alltså en miljondel av en millimeter. För att få perspektiv så kan man föreställa sig att klyva ett typiskt människohår hundratusen gånger för att få ner tjockleken till en nanometer. Nanoteknik används inom flera stora områden såsom biologi, medicin, kemi och fysik och vi stöter på den dagligen i exempelvis våra mobiltelefoner.
Under de senaste decennierna har nanotekniken utvecklats från att vara en framtida vision till en högst verklig nutid. Det finns gott om plats på botten (”There’s plenty of room at the bottom”), är den berömda titeln på Richard Feynamns föreläsning från december 1959 där han förutsåg nanoteknologin och manipulation av atomer. Idag, nära 60 år senare, är sanningen den att vi början få slut på utrymme.
Inom elektroniken talar man ofta om storleken på transistorer och hur många transistorer som får plats på ett litet utrymme. Utvecklingen har under flera decennier följt Moors lag som ungefär säger att antalet transistorer som får plats på ett chip fördubblas vartannat år. Snart har vi nått gränsen för att transistorerna inte längre kan skalas ner i storlek utan att kvantmekaniska effekter börjar blanda sig i.
När vi skalar ner storleken på föremål till en punkt där föremålet är i storleksordningen av atomer så spelar ytor en väldigt stor roll. Antalet ytatomer utgör då plötsligt en väldigt stor andel av hela föremålet. En parallell skulle kunna vara att tänka på färgen hos en tusensköna. Jag slår vad om att du tänker på vitt trots att mitten hos blomman är gul. De vita kronbladen är våra ytatomer och den gula mitten är insidan av våra nanomaterial. Samspelet mellan ytatomerna och dess omgivning blir plötsligt det som definierar föremålets egenskaper. Hade de vita kronbladen hos tusenskönan ramat in ett föremål stort som solen så hade vi säkerligen ändå definierat solen som gul. Den ringa storleken på objekten gör alltså att ytor och de yttersta lagren av atomer spelar en stor och viktig roll inom nanotekniken.
Kisel är halvledarmaterialet som bygger upp mer eller mindre alla halvledarkomponenter i dagens elektronik. En fantastisk fördel med kisel har varit just dess ytor som med nästan ingen modifikation varit nära nog perfekta. Kisel har dessutom varit billigt och lättillgängligt men nu behöver vi titta på alternativa material för att på andra sätt fortsätta utvecklingen. Ytterligare en formulering av Moors lag uttrycker att beräkningskraften fördubblas vartannat år. Det öppnar för möjligheten att, istället för att minska storleken, byta ut materialen i transistorerna till material med högre ledningsförmåga för att öka hastigheten i komponenterna och därmed beräkningskraften.
III-V-halvledare består av föreningar av element från tredje och femte gruppen i periodiska systemet. Sådana föreningar, tex galliumarsenid, indiumarsenid, indiumfosfid och galliumnitrid har betydligt högre ledningsförmåga än kisel och skulle kunna utgöra en viktig del i höghastighetselektronik. Ett problem med dessa material har dock varit att deras ytor och gränsskikt haft många defekter vilket har hämmat prestationen hos sådana komponenter.
I den här avhandlingen studeras nanostrukturer i form av III-V nanotrådar. Nanotrådar är små, stavliknande strukturer med diameter i nanostorlek (20-400 nm) och längd i mikrometerstorlek (1-10 µm). Själva formen bidrar med flera fördelar jämfört med att ha materialet i stor, bulkform. Dels så uppstår färre deformationer när man tillverkar (växer) materialet i trådform än på stora ytor, dels är laddningstransport i nanotrådar effektivare. Det gör III-V nanotrådar till ett flexibelt material med många tillämpningsområden inom elektronik.
Den här avhandlingen beskriver framsteg inom framförallt tre olika fält av nanotrådsforskning nämligen ytförbättring, växt och applikationer.
Först undersöks metoder för att förbättra kvaliteten hos ytor både på nanotrådar och på större platta material. Framförallt beskrivs hur man med hjälp av röntgenljus kan undersöka hur ytorna kan förbättras genom rengöring och kontrollerad lager-på-lager-växt av oxider.
Dessutom studeras den nya, revolutionerande växttekniken aerotaxi. Genom aerotaxi så kan nanostrukturer produceras både billigare och snabbare än via traditionella växttekniker. Dock behöver vi fortfarande lära oss mer både om fysiken bakom den nya växtmetoden och om resultatet av nanostrukturer växta med den. Här beskrivs ett sätt att undersöka själva växtmetoden.
Till sist beskrivs hur nanotrådar även kan användas som ett nytt verktyg inom svepprobsmikroskopi och svepprobsspektroskopi genom att utnyttja den stora kunskapen om hur nanotrådarna ser ut och beter sig. Det öppnar för användandet av nanotrådar för vidare ytkaraktärisering på atomnivå av nanoobjekt där just svepprobmikroskopi varit den ledande tekniken.
(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Kavanagh, Karen, Simon Frasier University, Canada
organization
alternative title
Halvledande nanotrådar: Karaktärisering och ytmodifiering
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
semiconducting nanowire, atomic force microscopy, Scanning tunneling microscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy, Scanning Probe Microscopy, Nanowires, Sveptunnelmikroskopi, Atomkraftsmikroskopi, XPS, Halvledarfysik, nanotrådar
pages
215 pages
publisher
Lund University (Media-Tryck)
defense location
Rydberg lecture hall, House H, Fysicum, Professorsgatan 1, Lund
defense date
2019-10-18 13:15:00
ISBN
978-91-7895-285-4
978-91-7895-284-7
language
English
LU publication?
yes
id
64f62c7e-6eef-4739-99d1-5df47c164db3
date added to LUP
2019-09-23 11:03:40
date last changed
2019-09-24 14:43:13
@phdthesis{64f62c7e-6eef-4739-99d1-5df47c164db3,
  abstract     = {The topic of III-V nanowires is still, after more than two decades, a growing and lively research area. The areas of application are wide and contain such important topics as energy harvesting, cheap and efficient lighting, high efficiency detectors and new types of electronics. III-V materials offer properties superior to the widely used Si. They can have considerably higher carrier mobility which paves the way for high-speed electronics and a great flexibility in band gap which is fundamental for optoelectronics. Producing these materials in the form of nanowires presents additional advantages as it gives the opportunity to tailor the material by altering the crystal structure and material composition in ways not possible in larger structures as well as integrating them with existing standard materials platforms.<br/>This combination of great materials in a small size has demonstrated potential for improved solar cells, high-speed low power transistors as well as energy efficient and flexible LEDs. But the promises come with challenges. The quality of the III-V surfaces is a significant factor for determining device performance, potentially both improving and limiting functionality. Further, the relevance of surfaces properties increases with decreasing sizes as the surface to bulk ratio goes up. This thesis focuses on characterization of semiconducting III-V surfaces with a special focus on nanowires, exploring recently developed methods, types of nanowires and nanowire synthesis.<br/>Native oxides forming on the surfaces of III-V materials in air are adverse and impede the development of top-tier devices. The surfaces have to be cleaned of the detrimental oxides and protected as part of the manufacturing of components. In the present work X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) has been used to improve the understanding of different cleaning methods including the self-cleaning effect of atomic layer deposition (ALD) of high-k oxides.<br/>Aerotaxy growth of nanostructures, where nanowires grow in a carrier gas, has arisen as a more cost effective and scalable production method than epitaxial growth on a solid substrate. Yet little is known about both the mechanism involved in the growth as well as about the quality of the resulting nanostructure surfaces. Here XPS and scanning probe microscopy (SPM) have been used to unravel the effect of doping on the surfaces of aerotaxy nanowires. Further, also a technique using small-angle X-ray scattering (SAXS) for in-situ characterization of the aerotaxy seed particles has been developed.<br/>SPM has been a revolutionary tool for surface science since its invention. Central for the function of an SPM is the tip, which is usually made out of metal and formed by a simple electrochemical etching procedure. In this thesis the development of a high resolution GaN nanowire probe for SPM is described. It combines the optical and electronical advantages of GaN with the well-controlled tip formation at the end of a nanowire.},
  author       = {Yngman, Sofie},
  isbn         = {978-91-7895-285-4},
  language     = {eng},
  publisher    = {Lund University (Media-Tryck)},
  school       = {Lund University},
  title        = {Semiconductor Nanowires: Characterization and surface modification},
  url          = {https://lup.lub.lu.se/search/ws/files/69816481/SofieYngman_avhandling_kappa.pdf},
  year         = {2019},
}