Kompetenznetz

Funktionelle

NanostrukturenA1

ZnO-Nanosäulen: Herstellung, Eigenschaften und BauelementeD. Gerthsen1, H. Kalt1, C. Klingshirn1, F. Pérez-Willard1, R. Sauer2, F. Scholz2, K. Thonke2, A. Waag3,

1Univ. Karlsruhe, 2Univ. Ulm, 3Univ. Braunschweig

Optische EigenschaftenOptische Eigenschaften

Unter optischer Hochanregung können ZnO Nanosäulen als Laserfunktionieren. Oberhalb einer gewissen Anregungsschwelle dominie rt diestimulierte Emission das Spektrum – gekennzeichnet durch eine starkeIntensitätszunahme. Hierbei treten meist mehrere Lasermoden auf.

ZnO-NanosäulenZnO-Nanosäulen

Durch hohe Ortsauflösung könneneinzelne Nanosäulen gezielt zurstimulierten Emission angeregtund untersucht werden. EinBeispiel dafür ist im obigen Bild zusehen.

Mittels einer Streak-Kamera kanndas zeitliche Verhalten desLaserprozesses nach gepulsterAnregung aufgezeichnet werden.Gezeigt sind im linken Bildmehrere Emissionsspektren beiverschiedenen Anregungsinten -sitäten der obigen Nanosäule.

Mit einer Erhöhung derAnregungsintensität beobachtetman das Auftreten zusätzlicherModen und eine spektraleVerschiebung des Bereiches indem Lasermoden auftreten.

Gasphasenepitaxie erlaubt das Wachstum von ZnO-Nanosäulen über verschiedeneWachstumsmechanismen wie vapor-liquid-solid (VLS), VLS initiiert, oder VS aufunterschiedlichen Substraten wie Saphir, Silizium, Galliumnitridschichten oder auchIridiumschichten. Durch Kombination der Wachstumsmechanismen mit denunterschiedlichen Substraten lassen sich ZnO-Nanosäulen für eine große Vielzahlvon Anwendungen gezielt herstellen.

Saphir

•gute Ausrichtung

•isolierend

GaN

•gute Gitter-anpassung

•p/n-leitend

Silizium

•Standard-substrat derHL-Industrie

Si mit fcc Iridium

•leitfähigesSubstrat

•elektrischeKontaktierungmöglich

Durch gezielten Einbau vonMagnesium in die ZnO-Matrix derkatalytisch gewachsenen Säulenist es möglich, die Bandkante zuhöheren Energien hin zuverschieben. Dies ist besondersfür die Herstellung von ZnO-Quantenpunktstrukturen einenotwendige Vorraussetzung(bandgap engineering).

Säulen mit Durchmesser /2haben extrem kleines Phasen-raumvolumen wichtig für Purcell -Effekt,Einzelphotonenemitter!

REM-CL: Erste direkteBeobachtung stehender UV-Wellen in Nanoresonatoren!

Modellrechnung von TE-Modenbasierend auf Lösung derHelmholtz-Gleichung imhexagonalen Resonator

Axiale Modendichte variiert mitDicke der Säule

3 .2 3. 3 3 .4 3. 5 3 .6 3. 7

En ergy (e V)

CL

Inte

nsit

y(a

rb.u

nits

)

34 03 5036 03 703 80

vac(n m)

x 2 %

x 4 %

x 5 %

spat ial ly resolvedCL spe ctra o fthree di fferentZn 1-xM gxOp il lars

3 . 2 3. 3 3 .4 3. 5 3 .6 3. 7

En ergy (eV)

PLIn

ten

sity

(arb

.uni

ts)

34 03 5036 03 703 80

vac(n m)

in tegral PL Z n1- xMgxOx 7%

band edg elu minesc enceof Zn O

ZnO-NanoresonatorenZnO-Nanoresonatoren

Elektrische EigenschaftenElektrische Eigenschaften

Einzelne ZnO Nanosäulen können mittelseines auf Elektronenstrahllithographiebasierenden Verfahrens kontaktiertwerden, um elektrische Kennlinien daranaufzunehmen. Durch geeignete Wahl desKontaktmetalls lassen sich ohmscheKennlinien und niedrige Kontakt-widerstände erreichen.

Nach der Kontaktierung können ineinem FIB/SEM-System in situIonenimplantationen und Leitwert-messungen vorgenommen werden.Die Abbildung rechts zeigt denelektrischen Widerstand für dreiverschiedene ZnO Nanosäulen alsFunktion der implantierten Dosis.Nach einem Anstieg des Wider-standes aufgrund der Entstehungstruktureller Defekte nimmt er beihohen Implantationsdosen wegender Donatorwirkung von Galliumstark ab.

Zur strukturellen Analyse der Defektewerden TEM/HRTEM-Untersuchungendurchgeführt. Vor der Implantationenthalten die ZnO Nanosäulen keineausgedehnten Defekte.

Für eine Ionendosis von 5x1014 cm- 2 (inder Nähe des Widerstandsmaximums inden Leitwertmessungen) ist eine hoheDefektdichte zu erkennen.

HRTEM-Aufnahmen an implantiertenSäulen zeigen Stapelfehler mit einergeringen lateralen Ausdehnung in derGrößenordnung von einigen nm. Es istanzunehmen, dass diese Defekte starkeStreuzentren sind, die aufgrund ihrerhohen Dichte eine deutliche Abnahmeder Ladungsträger-Beweglichkeit verur-sachen und dadurch zum Ansteigendes elektrischen Widerstandes bei-tragen.

Strukturelle EigenschaftenStrukturelle Eigenschaften

J. Fallert et al., CLEO Konferenz 2007, München (Deutschland)J. Fallert et al., II -VI Konferenz 2007, Jeju(Südkorea)H. Zhou et al. II- VI Konferenz 2007, Jeju (Südkorea)H. Zhou et al., Appl. Phys. Lett., eingereichtJ. Fallert et al., Nature Photonics, in Vorbereitung

D. Weissenberger et al., Appl. Phys. Lett., eingereichtG.M. Prinz et al., Apl. Phys. Lett. 90 (2007), 233115M. Schirra et al., Mater. Res. Soc. Proc. 957 (2007), 0957-K03 -07