Localized growth and characterization of silicon nanowires - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2009

Localized growth and characterization of silicon nanowires

Croissance localisée, caractérisation structurale et électronique de nanofils silicium

Résumé

This thesis deals with the epitaxial growth and characterization of silicon nanowires, because these nanostructures have recently been incorporated in functional devices with success, but a reproducible use requires a deeper understanding of their physical properties. As the growth proceeds through the incorporation of Si species into catalyst particles, we first investigated the formation of gold islands on Si (111)-(7x7) surfaces and demonstrated that a good control over the size and density of the particles can be obtained. Two growth techniques, the Molecular Beam Epitaxy (MBE) and the Chemical Vapour Deposition (CVD) were compared in order to get nanowires long enough and well oriented, so that the nanowires could be integrated into microstructures. With MBE and CVD at low silane partial pressure, <111>-oriented Si nanowire were grown, but the characterization of their structural properties by scanning and transmission electron microscopies as well as scanning tunneling microscopy revealed that the nanowires were tapered, their sidewalls facetted and that the atomic structures of the facets were caused by the diffusion of gold from the catalyst particle. From the analysis of their morphology, we showed that the incorporation of Si directly onto the sidewalls strongly contribute to the shape of the nanowires and also suggested that the observation of alternating narrow and wide sidewalls is related to the atomic structure of the (111) interface between the gold droplet and the Si shaft. We further analyzed the chemical composition of doped <111>-oriented Si nanowires by three-dimensional atom probe tomography (APT) and showed that boron impurities can be incorporated into the Si nanowires during the growth, by simply changing the ratio between the silane source and the diborane source. However the nanowire conductivity was unexpectedly too small to account for the concentration of boron impurities, probably due to the high amount of gold atoms that diffuse from the droplet and act as deep level centers. As a result, the growth of n-type and p-type doped Si nanowires at higher silane partial pressures were investigated and allowed to increase the nanowire conductivity.
En raison de leur compatibilité avec la technologie conventionnelle du silicium, les nanofils de silicium semblent très prometteurs pour être utilisés comme briques de base de composants électroniques à l'échelle. Ce travail de thèse se focalise sur la croissance épitaxiale et la caractérisation de tels nanofil. Les nanofils de silicium sont fabriqués par la méthode Vapeur-Liquide-Solide (VLS) à partir de catalyseurs d'or, en utilisant deux techniques: dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et épitaxie par jets moléculaire (MBE). Dans la première partie de cette étude, les catalyseurs d'or sont déposés sur le substrat Si(111) en ultravide pour bénéficier d'interface or-silicium de grande qualité. A partir de ces ilôts d'or, des nanofils orientés <111> sont obtenus par MBE et CVD, lorsque la pression partielle de silane est faible. En profitant de l'orientation contrôlée des fils qui favorise leur intégration dans les composants, plusieurs structures basées sur les nanofils ont donc été développées. Dans la deuxième partie de cette étude, les structures atomiques des surfaces facettées de nanofils orientés <111> ont été étudiées par microscopie à l'effet tunnel (STM) à basse température. En combinant ces observations avec des images de fils identiques en microscopie électronique, nous avons révélé la diffusion d'atomes d'or depuis le catalyseur le long des fils. Cette diffusion a plusieurs conséquences : elle conduit en partie à la forme conique des nanofils et est certainement à l'origine de l'alternance de la taille des parois des nanofils. Une troisième partie a porté sur le dopage des nanofils. Des gaz tels que la phosphine ou le diborane peuvent être utilisés pour incorporer des dopants de type n ou type p dans les nanofils pendant la croissance. La tomographie par sonde atomique (TAP) a été utilisée pour caractériser la distribution des impuretés dans le volume de nanofils de silicium dopés au bore et orientés <111>. Une distribution uniforme de bore à été observée au centre de nanofils et la concentration des impuretés mesurée correspond bien à la valeur estimée par le rapport entre le flux de silane et de diborane. Enfin, ces observations ont été comparés avec des mesures de conductivité dans des nanofils individuels.
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Dates et versions

tel-00460328 , version 1 (27-02-2010)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00460328 , version 1

Citer

Tao Xu. Localized growth and characterization of silicon nanowires. Physics [physics]. Université des Sciences et Technologie de Lille - Lille I, 2009. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00460328⟩
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