Optische EigenschaftenOptische Eigenschaften Elektrische ... · Gasphasenepitaxie erlaubt das...
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Kompetenznetz Funktionelle Nanostrukturen A1 ZnO-Nanosäulen: Herstellung, Eigenschaften und Bauelemente D. Gerthsen 1 , H. Kalt 1 , C. Klingshirn 1 , F. Pérez-Willard 1 , R. Sauer 2 , F. Scholz 2 , K. Thonke 2 , A. Waag 3 , 1 Univ. Karlsruhe, 2 Univ. Ulm, 3 Univ. Braunschweig Optische Eigenschaften Optische Eigenschaften Unter optischer Hochanregung können ZnO Nanosäulen als Laser funktionieren. Oberhalb einer gewissen Anregungsschwelle dominie rt die stimulierte Emission das Spektrum – gekennzeichnet durch eine starke Intensitätszunahme. Hierbei treten meist mehrere Lasermoden auf. ZnO-Nanosäulen ZnO-Nanosäulen Durch hohe Ortsauflösung können einzelne Nanosäulen gezielt zur stimulierten Emission angeregt und untersucht werden. Ein Beispiel dafür ist im obigen Bild zu sehen. Mittels einer Streak-Kamera kann das zeitliche Verhalten des Laserprozesses nach gepulster Anregung aufgezeichnet werden. Gezeigt sind im linken Bild mehrere Emissionsspektren bei verschiedenen Anregungsinten - sitäten der obigen Nanosäule. Mit einer Erhöhung der Anregungsintensität beobachtet man das Auftreten zusätzlicher Moden und eine spektrale Verschiebung des Bereiches in dem Lasermoden auftreten. Gasphasenepitaxie erlaubt das Wachstum von ZnO-Nanosäulen über verschiedene Wachstumsmechanismen wie vapor-liquid-solid (VLS), VLS initiiert, oder VS auf unterschiedlichen Substraten wie Saphir, Silizium, Galliumnitridschichten oder auch Iridiumschichten. Durch Kombination der Wachstumsmechanismen mit den unterschiedlichen Substraten lassen sich ZnO-Nanosäulen für eine große Vielzahl von Anwendungen gezielt herstellen. Saphir •gute Ausrichtung •isolierend GaN •gute Gitter- anpassung •p/n-leitend Silizium •Standard- substrat der HL-Industrie Si mit fcc Iridium •leitfähiges Substrat •elektrische Kontaktierung möglich Durch gezielten Einbau von Magnesium in die ZnO-Matrix der katalytisch gewachsenen Säulen ist es möglich, die Bandkante zu höheren Energien hin zu verschieben. Dies ist besonders für die Herstellung von ZnO- Quantenpunktstrukturen eine notwendige Vorraussetzung (bandgap engineering). Säulen mit Durchmesser /2 haben extrem kleines Phasen- raumvolumen wichtig für Purcell-Effekt, Einzelphotonenemitter! REM-CL: Erste direkte Beobachtung stehender UV- Wellen in Nanoresonatoren! Modellrechnung von TE-Moden basierend auf Lösung der Helmholtz-Gleichung im hexagonalen Resonator Axiale Modendichte variiert mit Dicke der Säule 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 3. 6 3. 7 En ergy ( e V) CL Inte nsity (arb .u nits) 34 0 3 50 36 0 3 70 3 80 vac(n m) x 2% x 4% x 5% spat i al l y resol ved C L spe ct ra o f t hree di fferent Zn 1- x Mg x Op i llars 3.2 3. 3 3. 4 3. 5 3. 6 3. 7 E n ergy (eV) PL Inten sity (arb . u nits) 34 0 3 50 36 0 3 70 3 80 vac(n m) i n t egral PL Zn1- xMgxO x 7% band edg e l u mi nesc ence of ZnO ZnO-Nanoresonatoren ZnO-Nanoresonatoren Elektrische Eigenschaften Elektrische Eigenschaften Einzelne ZnO Nanosäulen können mittels eines auf Elektronenstrahllithographie basierenden Verfahrens kontaktiert werden, um elektrische Kennlinien daran aufzunehmen. Durch geeignete Wahl des Kontaktmetalls lassen sich ohmsche Kennlinien und niedrige Kontakt- widerstände erreichen. Nach der Kontaktierung können in einem FIB/SEM-System in situ Ionenimplantationen und Leitwert- messungen vorgenommen werden. Die Abbildung rechts zeigt den elektrischen Widerstand für drei verschiedene ZnO Nanosäulen als Funktion der implantierten Dosis. Nach einem Anstieg des Wider- standes aufgrund der Entstehung struktureller Defekte nimmt er bei hohen Implantationsdosen wegen der Donatorwirkung von Gallium stark ab. Zur strukturellen Analyse der Defekte werden TEM/HRTEM-Untersuchungen durchgeführt. Vor der Implantation enthalten die ZnO Nanosä ulen keine ausgedehnten Defekte. Für eine Ionendosis von 5x10 14 cm -2 (in der Nähe des Widerstandsmaximums in den Leitwertmessungen) ist eine hohe Defektdichte zu erkennen. HRTEM-Aufnahmen an implantierten Säulen zeigen Stapelfehler mit einer geringen lateralen Ausdehnung in der Größenordnung von einigen nm. Es ist anzunehmen, dass diese Defekte starke Streuzentren sind, die aufgrund ihrer hohen Dichte eine deutliche Abnahme der Ladungsträger-Beweglichkeit verur- sachen und dadurch zum Ansteigen des elektrischen Widerstandes bei- tragen. Strukturelle Eigenschaften Strukturelle 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., eingereicht J. Fallert et al., Nature Photonics, in Vorbereitung D. Weissenberger et al., Appl. Phys. Lett., eingereicht G.M. Prinz et al., Apl. Phys. Lett. 90 (2007), 233115 M. Schirra et al., Mater. Res. Soc. Proc. 957 (2007), 0957-K03-07
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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
