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Titelaufnahme

Titel
Strain mapping in semiconductor nanowires using X-ray diffraction / eingereicht von: Mario Keplinger
VerfasserKeplinger, Mario
Begutachter / BegutachterinStangl, Julian ; Lugstein, Alois
Erschienen2014
Umfang172 S. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftLinz, Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Röntgenbeugung / Nanodraht / Halbleiter / mechanische Spannung
Schlagwörter (EN)X-ray diffraction / nanowire / semiconductor / strain
Schlagwörter (GND)Röntgenbeugung / Nanodraht / Halbleiter / Mechanische Spannung / Finite-Elemente-Methode
URNurn:nbn:at:at-ubl:1-99 Persistent Identifier (URN)
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Strain mapping in semiconductor nanowires using X-ray diffraction [41.99 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Kontrollierte mechanische Spannungen in Halbleitermaterialien erlauben die Herstellung neuester elektronischer Bauteile. Die elektronischen Eigenschaften von Halbleitern sind bestimmt durch ihre chemischen Bauelemente, also die Atome, und wie diese Bauelemente raeumlich angeordnet sind, was sich bei Halbleitern in ihrer Kristallstruktur manifestiert. Wenn ein Halbleiter einer mechanischen Spannung ausgesetzt ist, veraendern sich die Positionen der Atome im Gitter und das Material wird, entsprechend seiner mechanischen Festigkeit, gedehnt. Elastische Dehnung veraendert die Bandstruktur und die elektronischen Eigenschaften des Halbleitermaterials. Die Bandstruktur eines Halbleiters kann als eine Karte seiner elektronischen Eigenschaften interpretiert werden.

Roentgenbeugung ist ein maechtiges Werkzeug zur Charakterisierung von kristallinen Materialien und eine ausgezeichnete Methode zur Bestimmung von Veraenderungen im Kristallgitter. Mit diesem Werkzeug wurden waehrend dieser Arbeit Verspannungszustaende verschiedenster Nanodraehte untersucht. Diese Nanodr ̈hte sind stabfoermige Objekte mit Durchmessern von normalerweise unter 100 nm und Laengen im Bereich von mehreren Mikrometern. Diese Groeßenordnung birgt fuer die elektronischen Eigenschaften signifikante Anderungen, und das Material wird im quantenmechanischen Sinne eindimensional, was sich in einer Anderung der Bandstruktur niederschlaegt. Diese Eigenschaft von Nanodraehten ermoeglicht die Herstellung von Halbleiterbauteilen mit Ueberlegenen elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften im Vergleich zum aktullen Stand der Technik.

Mit Hilfe von Roentgenbeugungsexperimenten in Verbindung mit Ergebnissen aus elektronenmikroskopischen Untersuchungen wurden InAs/InAsP Nanodraht-Heterostrukturen untersucht. Durch unterschiedliche Gitterkonstanten der verwendeten Materialien weisen diese Heterostrukturen sich raemlich veraendernde Spannungszustaende auf. Fuer diese Untersuchungen war die Entwicklung neuer experimenteller Methoden vonnoeten und eine umfangreiche Datenauswertung in Verbindung mit Finite-Elemente-Simulationen. Dies erlaubte eine quantitative Aussage uber die mittleren Eigenschaften, wie die chemische Zusammensetzung und die Dimensionen in den untersuchten Nanodraht-Ensembles. Unter systematisch variierten Wachstumsbedingungen hergestellte Proben wurden charakterisiert, um Rueckschluesse auf den Wachstumsprozess ziehen zu koennen. Es werden aber auch, zum Beispiel fuer die Entwicklung von Bauelementen mit einzelnen Nanodraehten mit genau bestimmten physikalischen Eigenschaften, Verfahren benoetigt, die ueber das Messen von statistischen Mittelwerten uber mehrere Nanodraehte hinausgehen. Auch koennte der Verspannungszustand eines einzelnen Nanodrahts durch das ihn einbettende Bauelement ver ̈ndert werden. Dadurch wird es noetig, ein Verfahren mit hoher raeumlicher Aufloesung zu verwenden, wie Roentgenstrahlen mit Strahlgroeßen im Submikrometer-Bereich.

Gluecklicherweise wurden solche Untersuchungen durch die Entwicklung von Synchrotronen der dritten Generation in Verbindung mit neuartigen Fokussiermethoden von R ̈ntgenstrahlen ermoeglicht. Mit solch einem Verfahren konnten wir ein einzelnes axiales InAsP Segment in einem InAs Nanodraht mit nano-fokussierter Synchrotronstrahlung beleuchten und durch die Auswertung des aufgenommenen Beugungsbildes die genaue raeumliche Verteilung der Verspannungszustaende in und um das Segment bestimmen. Dies erfolgte mittels Finite-Elemente-Simulationen, aber es gibt auch die theoretische Moeglichkeit, ohne den Umweg uber Simulationen die Verspannungswerte direkt aus der gemessenen Intensitaetsdistribution zu bekommen. Dieses Verfahren braucht aber gewisse a-priori Informationen ueber das untersuchte Objekt. Algorithmen wurden implementiert mit der Randbedingung, dass so wenig wie moeglich a-priori Information vorausgesetzt wird, was in Verbindung mit verspannten Objekten auch nach dieser Arbeit eine Herausforderung bleibt. Fuer ein anderes Projekt, naemlich die Untersuchung von Nanodraehten in Bauelementen welche den Draht dehnen, verwendeten wir einen einfacheren Ansatz. Nur die Position von Bragg-Reflexionen im reziproken Raum wurde in Abhaengigkeit der Position des nano-fokussierten Synchrotronstrahls entlang des Nanodrahts bestimmt.

Das Dehnen eines Drahtes ist motiviert durch den Versuch, aus dem Halbleitermaterial Germanium mittels Dehnung einen direkten Halbleiter zu machen. Dies wurde theoretisch vorhergesagt fuer uniaxial verspanntes Germanium. Mit nano-fokussierter Synchrotronstrahlung wurden elongierte Germanium- aber auch Silizium-Nanodraehte auf ihren Verspannungszustand untersucht. Bauelemente, entwickelt an der TU Wien, lieferten einzelne vorgespannte Germanium-Nanodraehte sowie Silizium-Nanodraehte mit waehrend des Experiments verstellbarer Verspannung. An den vorgespannten Germanium-Draehten wurde die Verspannung in radialer Ebene durch die Bestimmung der Position eines bestimmten Bragg-Reflexes gemessen, waehrend der nano-fokussierte Synchrotronstrahl uber die Probe rasterte. Die resultierende Spannung entlang des Drahtes wurde mit Finite-Elemente-Simulationen verglichen, um die axiale Spannung des Nanodrahtes zu bekommen.

Auch konnte mit dem simulierten Spannungstensor die theoretische Ramanverschiebung berechnet und mit den Resultaten von Mikro-Raman-Messungen verglichen werden. Durch die Bestimmung der Position mehrerer Bragg-Reflexe, war es moeglich, die axiale und radiale Spannung eines verspannten Silizium-Nanodrahtes zu messen. Dies resultiert in der Bestimmung eines Poisson-Verhaeltnisses fuer einen uniaxial und tensil verspannten Silizium-Nanodraht.Die Verspannung des Drahtes wurde danach sukzessiv erhoeht und gemessen, bis hin zur plastischen Verformung, also dem Reißen, des Nanodrahtes. Damit wurde auch gezeigt, dass Roentgenbeugung in Verbindung mit nano-fokussierter Synchrotronstrahlung eine Analyse komplizierter Verspannungszustaende von Objekten mit Dimensionen im Nanometerbereich zulaesst.

Zusammenfassung (Englisch)

Strain engineering in semiconductor materials facilitates the fabrication of novel electronic and optoelectronic devices. The electronic properties of semiconductors are determined by their building blocks, i.e. their atoms, and by the way how these building blocks are arranged, i.e. their crystal structure. If stress is applied, the spatial arrangement of the atoms is altered and the material is strained according to its mechanical response property, the stiffness. Within the elastic regime, strain results in a changed band structure of the material. The band structure of a semiconductor can be seen as a map of its electronic and optoelectronic properties.

X-ray diffraction, being a versatile structural characterization method, probes the atom's electron clouds in crystalline materials, and is widely used to deduce the strain in semiconductor materials. In this work, X-ray diffraction is used to probe the strain distribution in semiconductor nanowires. Nanowires are several $\mu$m long rod shaped semiconductor structures with diameters below 100\,nm. Due to quantum confinement effects the nanowires are one-dimensional in terms of their electronic properties. This allows for the fabrication of various devices, being superior compared to similar state of the art devices.

Standard ensemble X-ray diffraction experiments in connection with results from electron microscopy investigations were performed to investigate InAs/\InAsP\ nanowire heterostructures. These nanowire structures exhibit a strain state according to the material's lattice mismatch and the nanowire geometry.

Novel characterization methods were developed based on extensive data evaluation and Finite Element simulations, to deduce the nanowires' crystal structure, as well as their average chemical composition and dimension. The characterization experiments of several samples fabricated under systematically varied environmental conditions provide conclusions on the process of nanowire formation. \\ The information on single nanowires beyond statistical averages becomes interesting when, for the fabrication of devices, the exact strain distribution in one particular nanowire is crucial. Moreover, the strain state of one single nanowire could be altered in or by some device, pushing the need for its precise strain monitoring. For example, the knowledge on the complex strain distribution of a short hetero-segment in a nanowire will allow the fabrication of strain engineered devices.

This requires X-ray beams with sub micrometer spot sizes. Fortunately, $3^ uniaxial strain alters the band structure of germanium, converting it into a direct semiconductor. Therefore, a quantitative strain analysis of strained germanium as well as silicon nanowires was performed using nano-focused synchrotron radiation diffraction. Straining devices as developed at the TU vienna provided pre-strained germanium nanowires, as well as silicon nanowires which can be gradually elongated during the experiment. For the germanium nanowires, the strain perpendicular to its growth axis was deduced by probing the position of a proper Bragg reflection while sampling the region of the nanowire with the focused synchrotron radiation beam. Finite Element simulations were compared with the measured strain values resulting in the nanowire's axial strain.

Moreover, with the simulated strain tensor the theoretic Raman shift was calculated and compared to $\mu$-Raman experiments. By recording several Bragg reflections the strain in different directions, e.g. in axial direction and in the radial plane, is accessible. With this method a silicon nanowire at evaluated strain state was investigated, and a value of the Poisson ratio for an uniaxially strained silicon nanowire was found. Its strain was then increased and monitored up to a plastic deformation of the nanowire. Nano-focused synchrotron diffraction proved to be a powerful tool for strain analysis allowing for a detailed investigation of objects in the nanometer scale.