Nanodrähte für Bolometeranwendungen

Das Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der thermischen und elektrischen Eigenschaftenvon Ge-Nanodrähten in Bolometer-Anwendungenfür schnelle und empfindliche Infrarot Detektoren. Per Definition, besteht ein Bolometer aus einem absorbierendem Element, das durch eine thermische Brücke an ein Temperaturreservoir angekoppelt ist und einem Thermometer. Jede einfallende Strahlung, welche die Temperatur des Absorbers proportional zur einfallenden Intensität erhöht wird mit einem Thermistor gemessen. Alternativ dazu kann auch der temperaturabhängige Widerstand des Absorbers als Thermometer verwendet werden. Ge-Nanodrähte, und besonders horizontal zwischen zwei elektrischen Kontakten gewachsene Nanodrähte, sind nach obigen Definitionen natürliche und perfekte Bausteine für Bolometer-Anwendungen. Sie haben eine extreme kleine Masse, und den gleichen, stark temperaturabhängigen Widerstand wie Ge-Kristalle. Bolometer aus Nanodrähten sollten daher viel schneller sein als herkömmliche Bolometer und sich damit besonders für Infrarotkameras eignen. Die elektrischen Kontakte sind Teil des Substrats und dienen damit automatisch als Temperaturreservoir. Als weiterer Vorteil kann die thermische Leitfähigkeit zwischen den Kontakten und den Drähten zum Beispiel durch den Drahtdurchmesser oder durch künstliche Verengungen gesteuert werden. In diesem Projekt interessieren wir uns für diethermischen und elektrischen Eigenschaften von Ge-Nanodrähten um ihre prinzipiellen Vorteile für schnelle und empfindliche Infrarot Detektoren zu untersuchen. Dabei geht es zum Beispiel um die Empfindlichkeit der Nanodrähte in Abhängigkeit verschiedener technologischer Faktoren, wie zum Beispiel den Drahtdurchmesser, die Länge oder die Dotierung. Mit Dielektrika überwachsene Nanodrähte sollen ebenfalls elektrisch untersucht werden, da man hier einen Einfluss auf den Störstellentransport erwarten kann. Im Idealfall sollte sich so die Temperaturempfindlichkeit und die Photoleitungseigenschaften beeinflussen lassen. Die Verwendung zusätzlicher Infrarotabsorber zur Steigerung der Empfindlichkeit soll ebenfalls studiert werden. Schließlich sollen Detektoren aus einzelnen Nanodrähten und nano-Gras Detektoren untersucht und verglichen werden. Gras-Detektoren sind durch Überwachsen von vorstrukturierten Substraten leicht herzustellen und sollten eine kleinere Impedanz und damit eine größere Geschwindigkeit haben. Zusätzlich kann man eine vernünftige Robustheit erwarten, wodurch Kameraanwendungen in den Bereich des Möglichen rücken.

Die Nachfrage nach kompakteren und mobilen Sensoren erfordert eine immer stärkere Miniaturisierung der Sensorarchitektur. Diese Entwicklung wird auch getrieben, durch die kontinuierliche Verkleinerung moderner integrierter Schaltkreise und der ihnen zugrundeliegenden Transistoren. Diese im sogenannten Moore'schen Gesetz festgeschriebene Entwicklung, resultiert heutzutage in Bauteilstrukturen die als quasi-1D bezeichnet werden können. Die Möglichkeit solche quasi-1D Germaniumnanodrähte als breitbandige Infrarot-Sensoren, basierend auf dem Prinzip eines Bolometers einzusetzen war Ziel dieses Projektes. Bei einem Bolometer wird die Energie der elektromagnetischen Strahlung durch einen Absorber in Wärme umgewandelt und die damit verbundene Temperaturerhöhung mit einem Thermometer detektiert. Im Falle eines Halbleiters als Thermometer, führt diese Erwärmung zu einer Erzeugung von Ladungsträgern und damit zu einer erhöhten Leitfähigkeit. Bei einer konstant angelegten Spannung, ist dies als Anstieg des Stromflusses detektierbar. Derartige Detektoren finden vielseitige Anwendungen in verschiedensten Technologien, unter anderem in der chemischen Analyse, als Sensoren für Wärmebildkameras oder als Sensoren für die Himmelsbeobachtung. Die intrinsischen Eigenschaften von Germaniumnanodrähten eines hohen temperatureabhängigen Wiederstandes und einer sehr kleinen thermischen Masse, machen diese zu einer vielversprechenden Komponente für hochempfindliche Bolometer. Darüber hinaus ermöglicht die einfache Integration von Germanium in Silizium-basierte Schaltungen in Verbindung mit einer Architektur, die modernen Transistoren nahe kommt, die einfache Realisierung eines hochintegrierten IR Detektors. Die im Rahmen dieses Projektes verwendete Struktur, basiert auf einer freitragenden Siliziumnitridmembran, auf welcher einzelenen Germaniumnanodrähte elektrisch kontaktiert sind. Simulationen basierend auf der Finite Elmente Methode, wurden eingesetzt um die ideale Bauteilarchitektur zu bestimmen. Dabei zeigte sich in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Untersuchungen das die Geometrie der Membran wesentlich das Ansprechverhalten des Sensors bestimmt. Die Rückseite der Membrane ist mit einem Absorber versehen, welcher unter Infrarotbestrahlung die Membran und in weiterer Folge die Germaniumnanodrähte erhitzt. In einer ersten grundlegenden Charakterisierung wurde der Temperaturkoeffizient des Wiederstandes für Germaniumnanodrähte unterschiedlicher Dotierung und Oberflächenpassivierung im Bereich von 4 K bis 296 K bestimmt. Anschließend wurde das bolometrische Signal über den gesamten Temperaturbereich untersucht. Bei 4 K konnten photonische Effekte in intrinischen und leicht dotiertien Nanowires nachgewiesen werden. Das Bolometer wurde anschließen auf seine Leistungsmerkmale bei Raumtemperatur untersucht wobei sich zeigte das die Leistungsfähigkeit durch eine Parallelschaltung mehrerer Germaniumnanodrähte wesentlich gesteigert werden kann. Für eine solche Parallelisierung haben wir einen Top-Down-Prozess auf der Grundlage einer GeOI-Plattformtechnologie entwickelt, der zu skalierbaren und gut reproduzierbaren Al-Ge-Al Heterostrukturen führte. Solche Strukturen paralle geschalteter Nanodrähte ermöglicht hochminiaturisierten Breitband-Infrarotsensor für ein breites Anwendungsfeld. Diese Al-Ge-Al Heterostrukturen mit atomar abrupten Grenzflächen erwiesen sich darüber hinaus als vielversprechende Materialkombination für weitere Anwendungen, die vom ballistischen Quantentransport über Einzelelektronentransistoren bis hin zu aktiven Plasmonikbauteilen reichen.