Abstract:

Seit mehr als 50 Jahren ist der Nanowhisker bzw. Nanodraht Gegenstand intensiver Forschung und gehört somit zu den grundlegenden Themen der Nanotechnologie. Angesichts der rasanten Entwicklung im nanotechnologischen Bereich gewinnen Nanodrähte mehr und mehr an Bedeutung für die physikalischen Eigenschaften von InAs-Nanodrähten und leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung des Forschungsfeldes. Im Rahmen dieser Arbeit wurden InAs-Nanodrähte aus der Vapor-Liquid-Solid Epitaxie auf ihre elektrischen Eigenschaften untersucht und als Nanodraht-Feldeffekttransistor charakterisiert. Hierfür war es nötig, sowohl entscheidende Prozessschritte für die Nanostrukturierung bzw. Nanokontaktierung zu entwickeln, als auch diese Prozesse für die Herstellung von InAs-Nanodraht-Feldeffekttransistoren in einen Gesamtprozess zu integrieren. Gegenstand dieser Arbeit ist auch die elektrische Charakterisierung der InAs-Nanodrähte mittels Conductive-AFM, um die Materialparameter zu bestimmen. Hierzu wurde ein Standard-AFM ausgebaut, wodurch die direkte elektrische Kontaktierung erfolgreich umgesetzt werden konnte. Mit dem Einsatz der Elektronenstrahl-Lithografie als indirekte Kontaktierungstechnik konnten zusätzlich die bekannten Vierpunkt-und TLM-Messmethoden auf die freiliegenden Nanodrähte angewandt werden. Somit war es möglich die InAs-Nanodrähte auch auf ihre elektrischen Eigenschaften hin zu untersuchen. Die theoretische Beschreibung der TLM Messergebisse konnte übereinstimmend auf die Messergebnisse der Nanodrähte verifiziert werden. Dabei zeigten die InAs-Nanodrähte spezifische Kontaktwiderstände im Bereich 10E-6 Ωcm2 und spezifische Widerstände im Bereich 10E-3 Ωcm, was überzeugend eine hohe kristalline Qualität der InAs-Nanodrähte belegt. Es konnte ebenfalls die Dotierung der InAs-Nanodrähte im Bereich von einigen 10E+17cm-3 ermittelt werden. Weiterhin wurde beobachtet, dass die InAs-Nanodrähte starke Oberflächenleitfähigkeit aufweisen. Durch die SiNx-Passivierung der Nanodrahtoberfläche konnte der Leitwert des Nanodrahtes um den Faktor 10 erhöht werden. Dieses Resultat deutet auf eine Oberflächensensitivität des InAs-Nanodrahtes hin. Die Zusammenführung der in dieser Arbeit entwickelten e-Beam Prozesse mit bereits bestehenden lithographischen Prozessen, erlaubte die Herstellung von Nanodraht-Transistoren mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften für Kanallängen zwischen 1 µm bis 4 µm mit Gateisolatoren bis zu 10 nm. In Anbetracht der relativ hohen Gatelängen und dicken Gateisolatoren zeigten die Transistoren vergleichsweise hohe Stromdichten bis zu 3 A/mm bzw. Steilheiten bis zu 2,7 S/mm. Die Skalierbarkeit der NW-FET‘s konnte auch im Zusammenhang mit den Dicken des Gateisolators gezeigt werden. Die Beweglichkeit konnte aus den Transistordaten von 10.000 cm2/Vs bestimmt werden. Dieses Resultat weist wiederum auf hohe kristalline Eigenschaften des InAs-Nanodrahtes hin. Zudem erfolgte eine Charakterisierung der Transistoren in Abhängigkeit der Nanodrahtradien und Gatelängen. Aufbauend auf dem Iniguez „Charge-Control-Model“ für den Koaxial-Gate-MISFET konnte durch die Erweiterung des Kapazitätsmodells der Ω-Gate-MISFET beschrieben und Simulationen durchgeführt werden. Die Anwendbarkeit des benutzten Modells wurde anhand von vergleichenden Messungen an den realisierten Nanodraht-Transistoren überprüft und zeigte eine gute Übereinstimmung mit der Modellierung. Darüber hinaus zeigen die ersten Hochfrequenz-Messungen an den InAs-Nanodraht-Transistoren mit optimiertem π-Gate hohe Transistfrequenzen von f~10 GHz. Diese Daten stellen im Vergleich zu entsprechenden Forschungen die bisher veröffentlicht wurden Bestwerte dar.