Electrical transport properties of doped gallium nitride nanowires

Abstract

In this work the electrical transport properties of individual gallium nitride (GaN) nanowires are investigated. For the first time, the effect of germanium as a shallow donor in such nanostructures was investigated.The growth of GaN nanowires on silicon (111) substrates is performed by molecular beam epitaxy in a self-assembled process without catalyst. Depending on doping concentration and growth time, the nanowires have a diameter between 30 nm and 120 nm and a length of 1 micron to 2 microns.For the electrical characterization of individual nanowires a process of micro- and nano-patterning, based on a combination of photo- and electron-beam lithography, was developed to realize individually designed, few nanometers wide and precisely positioned metal contacts. Individual nanowires could be contacted in various geometries to address the requirements of specific measurements. For example, nanowires with only 1 micron length were provided with four and 2 microns long wires even with six individual contacts. Very high overlay accuracy was realized with a deviation between layout and result of less than 10 nm.Individually contacted nanowires were investigated in several ways. By four-wire measurements, which exclude the impact of contact resistance, the electrical conductivity could be determined with the geometry of the specific nanowires being considered after analysis by scanning electron microscopy. The comparison with two-point measurements revealed the impact of the contact resistance. For nominally undoped nanowires both highly resistive and conductive wires were identified. For the latter, the enhanced conductivity at the nanowire base could be assigned to diffusion of silicon from the silicon substrate. For Ge-doped nanowires a continuous increase in conductivity with increasing dopant concentration was observed. Temperature-dependent measurements showed small activation energies and an almost constant conductivity at low temperatures. For the highest conductivity even metallic behavior was observed.An analysis of the temperature-dependent thermoelectric properties of the nanowires allowed the determination of the free carrier concentration. The extracted charge carrier densities of up to 5.5×10^19/cm^3 are well above the metal-insulator-transition for GaN of 2×10^18/cm^3. Photoluminescence spectroscopy of individual nanowires showed a weak increase of the width of the emission but no spectral shift with increasing carrier concentration. By combining the results of conductivity measurements and carrier-density determination, the mobility of the carriers could be estimated. Combination of the different results demonstrates the efficiency of germanium as a shallow donor in GaN nanowires. Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung elektrischer Transporteigenschaften einzelner dotierter Galliumnitrid (GaN) Nanodrähte. Zum ersten Mal wird der Einfluss von Germanium als flacher Donator in derartigen Nanostrukturen untersucht.Das Wachstum der GaN Nanodrähte auf Silizium (111) Substraten wurde mittels Molekularstrahlepitaxie durchgeführt und basiert auf einem selbstassemblierten Prozess ohne Katalysator. Abhängig von Dotierkonzentration und Wachstumszeit haben die Nanodrähte einen Durchmesser zwischen 30 nm und 120 nm sowie eine Länge von 1 µm bis 2 µm.Zur elektrischen Charakterisierung einzelner Nanodrähte wurde ein Prozess zur Mikro- und Nanostrukturierung, basierend auf einer Kombination aus Foto- und Elektronenstrahllithographie, entwickelt, um individuell gestaltete, wenige Nanometer breite und präzise platzierte metallische Kontakte zu realisieren. Einzelne Nanodrähte konnten schließlich in vielfältigen Geometrien kontaktiert werden, um den jeweiligen Ansprüchen der beabsichtigten Messung zu genügen. Beispielsweise konnten Nanodrähte mit nur 1 µm Länge mit vier und 2 µm lange Drähte sogar mit sechs individuellen Kontakten versehen werden. Dabei konnte eine sehr hohe Überdeckungsgenauigkeit mit einer Abweichung zwischen Layout und Ergebnis von weniger als 10 nm realisiert werden.Die elektrischen Eigenschaften einzelner Nanodrähte konnten so auf verschiedene Weisen analysiert werden: Durch Vierleitermessungen, die den Einfluss der Kontaktwiderstände ausschließen, konnte bei bekannter Geometrie der Nanodrähte die elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden. Die Geometrie des untersuchten Stücks des Nanodrahts wurde durch Analyse mittels Rasterelektronenmikroskopie ermittelt. Durch Vergleich mit Zweipunktmessungen konnte darüber hinaus die Größe des Kontaktwiderstands ermittelt werden. Für nominell undotierte Nanodrähte wurden sowohl hoch resistive als auch leitfähige Drähte identifiziert. Für letztere wurde eine erhöhte Leitfähigkeit an der Basis des Drahtes festgestellt, was auf eine Diffusion von Silizium aus dem für das Wachstum verwendeten Siliziumsubstrat in die Nanodrähte zurückgeführt wurde. Für Germanium-dotierte Nanodrähte konnte ein kontinuierlicher Anstieg der Leitfähigkeit mit steigender Germaniumkonzentration beobachtet werden. Temperaturabhängige Messungen zeigten eine geringe Aktivierungsenergie und eine nahezu konstante Leitfähigkeit für tiefe Temperaturen. Für die höchste Leitfähigkeit wurde sogar metallisches Verhalten beobachtet. Eine Analyse der temperaturabhängigen thermoelektrischen Eigenschaften der Nanodrähte ermöglichte die Bestimmung der Konzentration freier Ladungsträger. Es wurden Ladungsträgerdichten von bis zu 5.5×10^19/cm^3 - deutlich über dem Metall-Isolator-Übergang für Galliumnitrid (etwa 2×10^18/cm^3) - nachgewiesen. Photolumineszenz-Spektroskopie an einzelnen Nanodrähten zeigte eine schwache Zunahme der Breite der Emission, jedoch keine spektrale Verschiebung mit steigender Ladungsträgerkonzentration. Durch die Kombination der Ergebnisse von Leitfähigkeitsmessungen und Ladungsträgerdichtebestimmung konnte die Beweglichkeit der Ladungsträger abgeschätzt werden. Die Kombination der unterschiedlichen Ergebnisse zeigt die hervorragenden Eigenschaften von Germanium als flacher und effizienter Donator in Galliumnitrid Nanodrähten.