Doping of Vapor–Liquid–Solid Grown Gallium Arsenide Nanowires

Abstract

GaAs and other group III–V compound semiconductor nanowires are extensively researched and hold promise for several application areas like electronics, optoelectronics and photovoltaics. Most of the applications require electrical impurity doping for which accurate control and measurements remain challenging.

The aim of this work was to grow and characterize doped GaAs nanowires in order to forward the development of the growth process used by the Nanotechnology group. The nanowires were grown via the vapor–liquid–solid mechanism in a metalorganic vapor phase epitaxy device. Doping was done during the growth by using zinc and tin for p-type and n-type doping, respectively. The grown nanowires were inspected with scanning electron microscope and micro-Raman measurements. The doping levels (carrier concentrations) were estimated with electrical measurements, for which a metal contacting scheme employing optical lithography was investigated.

Doped nanowires were found to suffer from increased structural defect density and tapering to varying degrees compared to undoped reference nanowires. Aligning metal contacts and nanowires proved to be an issue and the investigated scheme hence did not work as well as expected. However, initial carrier concentration values were obtained for the current process. Based on the obtained results, additional measurements and growth process optimization were recommended.

Galliumarsenidi- ja muita III-V puolijohdenanolankoja on tutkittu kattavasti ja ne ovat lupaavia moniin sovelluskohteisiin, kuten elektroniikkaan, optoelektroniikkaan ja aurinkokennotekniikkaan. Useimmat sovellukset edellyttävät seostamista sähköisillä epäpuhtauksilla, minkä hallinta ja mittaaminen ovat edelleen haastavia.

Täman työn tavoitteena oli kehittää Nanotekniikka-ryhmän kasvatusprosessia kasvattamalla ja karakterisoimalla seostettuja GaAs-nanolankoja. Nanolangat kasvatettiin VLS-mekanismin (vapor–liquid–solid) avulla käyttäen metalloorgaanista kaasufaasiepitaksialaitetta. Seostaminen suoritettiin kasvatuksen aikana käyttäen sinkkiä p-tyypin ja tinaa n-tyypin seostukseen. Kasvatettuja nanolankoja tarkasteltiin pyyhkäisyelektronimikroskopian ja mikro-Raman–mittausten avulla. Seostustasot (varauksenkuljettajatiheydet) arvioitiin käyttäen sähköisiä mittauksia, joita varten tutkittiin optista litografiaa hyödyntävää metallikontaktointimenetelmää.

Seostettujen nanolankojen havaittiin kärsivän vaihtelevasti lisääntyneistä rakenteellisista vioista ja enenevästi kaventuvasta muodosta verrattuna seostamattomiin vertailunanolankoihin. Metallikontaktien kohdistaminen nanolankoihin osoittautui ongelmalliseksi ja tutkittu kontaktointimenetelmä ei siksi toiminut niin hyvin kuin oli odotettu. Tämänhetkiselle kasvatusprosessille saatiin silti alustavat tulokset varauksenkuljettajatiheyksistä. Saatujen tulosten perusteella suositeltiin lisämittauksia ja kasvatusprosessin optimointia.