A low-temperature chemical vapor growth of Ge nanowires using Ga as seed material is demonstrated. The structural and chemical analysis reveals the homogeneous incorporation of ∼3.5 at. % Ga in the Ge nanowires. The Ga-containing Ge nanowires behave like metallic conductors with a resistivity of about ∼300 μΩcm due to Ga hyperdoping with electronic contributions of one-third of the incorporated Ga atoms. This is the highest conduction value observed by in situ doping of group IV nanowires reported to date. This work demonstrates that Ga is both an efficient seed material at low temperatures for Ge nanowire growth and an effective dopant changing the semiconductor into a metal-like conductor.

Single-electron transistor (SET) device fabrication for operation in the tens of Kelvin range is still challenging due to the need of controlled definition of the metallic island with a diameter far below 100 nm and proper tuning of the island’s tunnel couplings to the drain and source leads. Here we present results on SET device fabrication using focused electron beam induced deposition (FEBID) for island definition between pre-fabricated SET electrode structures. The island’s nano-granular microstructure allows us, in conjunction with in situ tuning of the inter-grain tunnel coupling by post-growth electron irradiation, to study the effect of the island’s electronic granularity on SET device performance. In addition we show that for reliable SET operation FEBID-associated co-deposit in proximity of the island has to be removed which can be accomplished by a novel in situ Ar ion etching process. For the low-temperature properties of functioning SET devices we obtain good agreement of capacitance values deduced from the current–voltage characteristics and capacitance calculations based on the geometry of the device electrodes and the microstructure of the island. Complementary simulations of the SET current–voltage characteristics based on the master equation approach are in good agreement with the experimental data. The observation of well-defined Coulomb oscillations indicates that FEBID-based SET structures can be useful as on-demand charge monitor devices with high lateral positioning flexibility.

In situ monitoring of thin film growth on the lateral nanoscale provides insight into different growth stages and establishes a basis for feedback-controlled optimization of the growth process. Here we present a novel approach towards in situ monitoring of area-selective atomic layer deposition of metals, in particular platinum, using the electrical conductance of the growing layer as probed quantity. Area-selectivity is reached by thin platinum seed layers fabricated by focused electron beam induced deposition (FEBID). Different growth stages are identified by their respective impact on the conductance. The growth rate is optimized in a feedback-loop that controls the cycling periods of the atomic layer deposition process employing a genetic algorithm. Our approach is sufficiently general to be applicable to a large variety of other deposition setups that do not use FEBID for seeding.

Mit steigender Komplexität von integrierten Schaltungen im Nanometer-Maÿstab werden immer innovativere Techniken nötig, um diese zu fabrizieren. Dies erfordert einen starken Fokus auf die Kontrolle der Fabrikation akkurater Strukturen und der Materialreinheit, und dies im Zusammenhang mit einer skalierbaren Produktion. In diesem Kontext hat Elektronenstrahlinduzierte Abscheidung (engl. Focused Electron Beam Induced Deposition, FEBID) eine wachsende Aufmerksamkeit im Bereich der Nanostrukturierung gewonnen. Der FEBID-Prozess basiert auf der lokalen Abscheidung von Material auf einem Substrat. Das Deponat entsteht durch die Spaltung von Präkursor-Molekülen durch die Interaktion mit einem Elektronenstrahl entsteht. Als Beispiel sei hier der Präkursor Me3PtCpMe angeführt. Das auf dem Substrat abgelagerte Material besteht aus wenigen Nanometer großen Kristalliten aus Platin, welche in einer Matrix aus amorphem Kohlenstoff eingebettet sind. Die Pt-C FEBID Ablagerungen sind nano-granulare Metalle, deren elektrische Transporteigenschaften die Folge des Zusammenspiels von diffusivem Transport von Ladungen innerhalb der Pt-Kristalliten und temperaturabhängigen Tunneleffekten sind. Das größte Interesse an diesen Materialien liegt an der Möglichkeit, Strukturen für technische Anwendungen im Nanometerbereich herstellen zu können. In dieser Arbeit wurden Anwendungen, die auf Einzelelektroneneffekten beruhen, ausgewählt, um die FEBID basierte Probenpräparation zu testen. Um Einzelelektronentransport zu ermöglichen, der auf dem Tunneln einzelner Elektronen basiert, müssen alle Parameter wie Grösse und Abstände der Strukturen genauestens definiert sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Einzelelektronenbausteine entwickelt, die auf zwei unterscheidlichen Anwendungen des Pt-C FEBID-Prozesses basieren. Die beiden Anwendungen sind: 1) Arrays von Gold-Nanopartikeln (Au-NP), welche mittels Pt-Strukturen kontaktiert wurden, die mit FEBID präpariert und anschlieÿend aufgereinigt wurden; 2) Einzelelektronentransistoren (engl. Single-Electron Transistors, SET), deren Inseln aus elektronennachbestrahlten Pt-C FEBID Deponate bestehen. Die elektrischen Eigenschaften der präparierten Nanostrukturen wurden charakterisiert und mit der erzielten Auflösung und Materialqualität in Relation gesetzt. Es wurden Optimierungen an der Präparationsmethode durchgeführt, welche direkt die Leitfähigkeit des Pt-C FEBID-Materials erhöhen. Dies kann durch die Änderung der Karbonmatrix oder die Erhöhung des metallischen Gehalts der Struktur geschehen. In dieser Arbeit wurde eine katalytische Aufreinigungsmethode von Pt-C FEBID Strukturen für zwei Anwendungen genutzt: zum Einen wurden die aufgereinigten Strukturen als Keimschichten für die nachfolgende ortsgenaue Atomlagenabscheidung (engl. Area-Selective Atomic Layer Deposition, AS-ALD) von Pt-Dünnschichten genutzt. Zum Anderen wurde diese Technik dafür genutzt, Metallbrücken zwischen den bereits durch Auftropfen zufällig auf dem Substrat aufgebrachten NP-Gruppen und den zuvor aufgebrachten UV-Lithographie (UVL) präparierten Cr-Au Kontakten zu erzeugen. Eine NP-Gruppe ist ein periodisches, granulares Array von Partikeln, welche uniform in Größe und Form sind und einen unterschiedlichen Grad von Ordnung inne haben. Durch die Art des Aufbringens kann die Anordnung der Nanopartikel durch Lösen und Erzeugen der Verbindungen beeinflusst werden. Diese Systeme zeigen ein Verhalten wie Tunnelkontakte mit Coulombblockade und eine Verteilung der Schwellspannung. Die Ergebnisse der elektrischen Messungen bestätigen den Einzelelektronentransport durch die Nanopartikel in einem typischen Elektronentransportregime mit schwacher Kopplung. Trotz dieser Ergebnisse war die Anwendung dieser Technik für die SET Nanostrukturierung nicht erfolgreich. Die Ursache konnte zurückgeführt werden auf das Vorhandensein von Pt-Partikeln in der Nähe der Kontakte zu den Au-NP-Arrays. Die Pt-Partikel sind durch den FEBID Fertigungsprozess in der Nähe der vorgegebenen Struktur entstanden. Aus diesem Grund wurde das FEBID Co-Deponat in der folgenden SET-Nanofabrikation entfernt. Ein SET basiert auf einer Nano-Insel, welche durch Tunnelkontakte mit Source- und Drain-Elektroden verbunden ist. Darüber hinaus besteht eine kapazitive Verbindung zu einer oder mehreren Gate-Elektrode(n). Innerhalb der Insel gibt es eine feste Anzahl von Elektronen. In dieser Arbeit wurden die Source-, Drain- und Gate-Kontakte durch Ätzen mittels eines fokussierten Gallium-Strahls erzeugt, was Abstände von 50nm ermöglichte, wohingegen die SET Insel mit Pt-C FEBID-Material erzeugt wurde. Die Leitfähigkeit der Insel aus Pt-C wurde mit anschließender Elektronenbestrahlung erhöht. Als letzter Präparationsmethode wurde ein neueartiges Argon-Ätzverfahren genutzt, um die durch FEBID erzeugten Co-Ablagerungen in der direkten Umgebung der Insel zu entfernen. Durch die Elektronennachbestrhalung kann die Kopplung der einzelnen metallischen Kristalliten angepasst werden. Die Auswirkungen unterschiedlicher starker Tunnelkontakte auf die elektronischen Eigenschaften der Insel und die daraus resultierende Performanz des SETs wurden in dieser Arbeit beobachtet ...