Modulation der Bandstruktur von Ge/Si-Nanodrähten durch mechanische Verspannungen

Ziel der Dissertation ist es den Einfluss von Quanten-Confinement, elektrischen Feldern und vor allem mechanischen Verspannungen auf die elektrischen und optischen Eigenschaften von Ge/Si-Nanodraht-Strukturen zu erforschen. Si und Ge sind die seit langem etablierten Basis-materialien der CMOS-Technologie. Die geplante Realisierung von On-Chip-Lichtquellen oder Detektoren ist aber aufgrund der ineffizienten Lichtemission mit diesen, indirekten Halbleiter-materialien, nicht möglich. Zuletzt wurden mehrere Forschungsarbeiten publiziert die einen direkten Bandübergang in stark verspannten Si und Ge voraussagen. Dies sollte aufgrund des geringen Energieunterschiedes der Bandlücken für Ge bei wesentlich kleineren Verspannungen möglich sein als für Si. Aktuelle Ansätze die 136 meV Energielücke zwischen dem direkten G- und dem indirekten L-Leitungsbandminimum zu schließen umfassen z.B. Quanten-Confinement in Nanostrukturen, den Einbau von Sn in die Gitterstruktur von Ge und eben die gezielte Verspannung des Ge Kristallgitters teilweise auch in Verbindung mit starker n-Dotierung. Der Übergang zum direkten Halbleiter sollte dabei durch eine biaxiale Verspannung von ~2% bzw. einer uniaxiale Verspannung von etwa 4% erzielt werden können. Die Realisierung von so hohen Verspannungen dürfte allerdings in ausgedehnten Ge Kristallen kaum möglich sein, da dies zu Versetzungen, plastischer Verformung und letztendlich sogar zum Bruch führen würde. In Nanodrähten allerdings, die hochrein und weitgehend frei von Strukturdefekten synthetisiert werden können, sind solch Verspannungen ohne Materialdegradation realisierbar. Im Rahmen des geplanten Projektes sollten daher nach dem sogenannten ¿vapor-liquid-solid¿ Verfahren hergestellte Nanodrähte, monolithisch in mikro-mechanische Verspannungsmodule integriert werden. Basierend auf unseren bisherigen Untersuchungen sind wir überzeugt, damit kontrolliert und reproduzierbar hohe tensile Verspannungen am Nanodraht anbringen zu können. Die mechanische Robustheit der Nanodrahtgeometrie ermöglicht dann über einen weiten Bereich einstellbare Zugspannungen und die damit verbundene Modifikation der Bandstruktur von verspannten Ge-Nanodrähten, axialen Ge/Si- als auch dotierten Nanodraht-Heterostrukturen zu untersuchen. In weiterer Folge soll dabei das Verspannungsmodul durch eine den Nanodraht umhüllende Elektrodenarchitektur (engl. Gate all around) erweitert werden und damit auch die Leitfähigkeit des Nanodrahts, bei verschiedenen Verspannungszuständen durch den sogenannten Feldeffekt moduliert werden können. Schließlich soll auch ein elektrostatisch aktuiertes Verspannungsmodul eingesetzt werden, das die Bestimmung der Piezoresistivität als auch die Veränderungen der optischen Eigenschaften durch ¿-Photolumineszenz, Raman- und Rasterphotostrommessungen bei verschiedenen Temperaturen bis T=4K ermöglich.

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Unternehmen

Thesius Inspiration

Abschlussart

Dissertation

Branche

Elektrotechnik

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