Doping of semiconductor nanowires

Abstract

9Populärvetenskaplig sammanfattning 11List of papers 15 AbstractIn this thesis, in situ doping during growth of III-V semiconductor nanowires, primarily for photovoltaic applications, is investigated. The nanowires were grown by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE), with gold seed particles. After growth the nanowires were characterized using various techniques, including photoluminescence, transmission electron microscopy and electrical measurements of contacted nanowires. Different III-V materials were studed, both binary materials such as InP and GaAs, and ternary materials such as Ga x In 1-x P. To achieve p-and n-doping, different precursors were employed.The results show that successful p-and n-doping can be achieved in many materials. The in situ doping is shown to affect the nanowire growth strongly, but differently depending on the combination of material and dopant. The main effects are related to the growth rate and the crystal structure. It is shown that the ndopant H 2 S increases the growth rate and induces wurtzite crystal structure in InP nanowires, while the p-dopant DEZn gives an unchanged growth rate with zinc blende crystal structure. En solcells förmåga att omvandla solljus till elektricitet kallas för verkningsgrad. Idag baseras de flesta solceller på grundämnet kisel, vilket är samma material som är basen för elektroniken i alla datorer. Detta material ger en medelmåttig verkningsgrad för ett medelmåttigt pris. För att göra solceller ännu mer användningsbara utvecklar många forskare och företag nya sorters solceller, som är billigare eller bättre än kiselceller. De mest effektiva solcellerna görs av så kallade III-V ("tre-fem") material, som kan ge ungefär dubbelt så mycket eleffekt som kiselceller. Tyvärr är III-V material dyra, vilket gör dessa solceller olönsamma för de flesta tillämpningar.Ett möjligt sätt att sänka kostnaderna är att göra III-V materialet i form av små, avlånga kristaller som kallas nanotrådar. Dessa nanotrådar är ungefär en tusendel så tjocka som ett hårstrå, vilket betyder att deras diameter är ungefär samma som ljusets våglängd. Mängden III-V material som används kan då minskas på två sätt. Dels kan man använda ett annat, billigare material som bärande substrat, dels behöver man bara täcka ungefär en tiondel av ytan. Nanotrådarna fungerar som små antenner som effektivt fångar in solljuset. I en solcell absorberas ljusenergin av elektroner, som tvingas i en bestämd riktning vilket skapar en elektrisk ström. För att göra detta används så kallad dopning, 13 vilket innebär att man stoppar in kontrollerade mängder av speciella föroreningar i den annars mycket rena kristallen. Med n-dopning skapar man ett överskott av elektroner, och med p-dopning skapar man ett underskott. Kombinerar man ett pdopat och ett n-dopat område får man en p-n övergång, som också kallas en diod. Det är i övergången mellan p-dopning och n-dopning som elektronerna tvingas i en speciell riktning, nämligen mot den n-dopade sidan. För att nanotrådarna ska fungera som solceller måste dä...

Single GaInP nanowire p-i-n junctions near the direct to indirect bandgap crossover point

“…Axial NW heterostructures, however, can be grown with large lattice mismatch since the strain can be relaxed vertically, and here we demonstrate devices with a bandgap close to the theoretical limit. Controlled doping is necessary for most applications, 12 and here we use DEZn and H 2 S for p-and n-doping of GaInP. We demonstrate axially defined GaInP p-i-n junctions with yellow-green electroluminescence.…”

Organo-arsenic Molecular Layers on Silicon for High-Density Doping

“…This in-situ method of doping nanomaterials is promising but the challenges of scale-up and large scale integration in addition to the problematic concentration gradients still remain. 9 Recently, a facile approach for controllable doping of semiconductor nanostructures was introduced, termed monolayer doping (MLD). 10 MLD comprises two steps: i) functionalization of the semiconductor surface with a p-or n-dopant containing molecule and ii) thermal diffusion of those dopant atoms into a semiconductor by a rapid thermal anneal (RTA) step.…”

InP nanowire p-type doping via Zinc indiffusion

“…The electrical measurements included conventional 4-point current-voltage measurements and back-gate field-effect transistor (FET) type measurements. The back-gate FET measurement principle and theory using the drude model is explained in detail elsewhere 24 . The carrier concentration p can be obtained from the following expression:…”

“…where ε r is the relative dielectric constant, ε 0 is the vacuum permittivity, R is the NW radius, and h is the distance between the gate and the NW 24 . Several assumptions are made to obtain equation (3), which cause it to give higher capacitance than in reality 24 .…”

“…Several assumptions are made to obtain equation (3), which cause it to give higher capacitance than in reality 24 . In this work, L and R were acquired from highmagnification SEM images.…”