Croissance et caractérisation des nanofils de silicium et de germanium obtenus par dépôt chimique en phase vapeur sous ultravide

Growth and caracterization of silicon and germanium nanowires obtained by ultra high vacuum chemical vapor deposition

• Auteur / Autrice : Rym Boukhicha
• Direction : Daniel Bouchier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/03/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Jury : Président / Présidente : Pere Roca i Cabarrocas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Bouchier, Pere Roca i Cabarrocas, Michel Gendry, Thierry Baron, Vy Yam, Jean-Luc Bubendorff
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Gendry, Thierry Baron

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géraniums

Nanofils

Silicium

Mots clés libres

Silicium

Germanium

Croissance UHV-CVD

Nanofils

Catalyseur

Or

Digermane

Silicon

Germanium

UHV-CVD Growth

Nanowire

Catalyst

Gold

Digermane

Résumé

Les nanofils de silicium et de germanium présentent un fort potentiel technologique, d’autant plus important que leur position et leur taille sont contrôlées. Dans le cadre de cette thèse, la croissance de ces nano-objets a été réalisée par dépôt chimique en phase vapeur sous ultravide à l’aide d’un catalyseur d’or via le mécanisme vapeur-liquide-solide.Dans un premier temps, différentes techniques, le démouillage d’un film mince, l’évaporation par faisceau d’électrons et l’épitaxie par jet moléculaire, ont été mises en œuvre pour l’obtention du catalyseur métallique pour la croissance des nanofils.Dans un deuxième temps, la cinétique de croissance des nanofils de silicium a été étudiée en fonction de la pression, de la température de croissance et du diamètre des gouttes. Le gaz précurseur qui a été utilisé est le silane. Cette étude a permis de déterminer un diamètre critique de changement de direction de croissance, au-dessus duquel les nanofils sont épitaxiés sans défauts cristallins et préférentiellement selon la direction <111>. Le diamètre critique a été estimé à 80 nm. La cinétique de croissance en fonction de la pression a pu être interprétée de façon satisfaisante par la relation de Gibbs-Thomson. Ceci a permis la détermination du coefficient de collage des molécules de silane sur la surface de l'or et la pression de vapeur saturante du silicium P∞. Le changement morphologique de la section du nanofil et la distribution de nanoclusters d’or sur les parois ont été aussi détaillé à l’aide d’analyses par microscopie électronique en transmission.L’intégration des nanofils dans un dispositif nécessite de pouvoir les connecter. Pour les localiser et les orienter, un procédé basé sur le procédé d’oxydation localisée du silicium est proposé, pour former des ouvertures Si(111), à partir d’un substrat Si(001). Les gouttes d’or sont alors localisées dans ces ouvertures et vont servir à la croissance de nanofils orientés suivant une seule des directions [111]. Enfin, la cinétique de croissance de nanofils de germanium a été étudié. La limitation de l’utilisation du germane dilué à 10% dans l’hydrogène dans notre système d’épitaxie UHV-CVD a été démontrée. Compte tenu de notre dispositif expérimental, le gaz précurseur a été changé pour du digermane dilué à 10% dans de l’hydrogène afin de favoriser une croissance verticale de nanofils de Ge. Ceci nous a permis d’élaborer des nanofils de Ge avec des vitesses de croissance pouvant atteindre 100 nm/min. Des analyses structurales montrent l’existence d’un évasement des nanofils. Ceci est engendré par la présence d’une croissance latérale qui augmente avec la température. Comme dans le cas des nanofils de Si, nous observons la présence de l’or sur les parois latérales des nanofils. Cependant la présence de l’or est limitée à la partie supérieure des nanofils. Cette diffusion des nanoclusters d’or sur les parois peut être diminuée en augmentant la pression de croissance. En outre, l’étude de la vitesse de croissance des nanofils de Ge en fonction du rayon des gouttes d’or a permis de déterminer un rayon critique de 6 nm en dessous duquel la croissance de nanofil ne peut avoir lieu. Ce résultat a été interprété à l’aide d’un modèle basé sur l’effet Gibbs-Thomson et prenant comme hypothèse que l’étape limitante dans la croissance vapeur-liquide-solide est l’adsorption et l’évaporation du germanium.

Silicon and germanium nanowires have a high technological potential, which makes them more interesting when their position and size are controlled. As part of this thesis, the growth was achieved by chemical vapor deposition using a gold catalyst through the vapor-liquid-solid mechanism.Initially, various techniques such as dewetting, electron beam evaporation and molecular beam epitaxy to obtain the metal catalyst for the growth of nanowires were performed.In a second step, the growth kinetics of silicon nanowires has been studied as a function of pressure, temperature and catalyst diameter. Silane was used as precursor gas. A critical diameter change of direction of growth and above which the nanowires grow without crystal defects and preferentially in the direction <111> was estimated at 80 nm. The growth kinetics depending on the pressure could be explained by the Gibbs-Thomson. This allowed the determination of the adsorption coefficient of silane molecules on the surface of gold and the saturated vapor pressure of silicon P∞. The morphological change of the section of the nanowire and the distribution of gold nanoclusters on their walls were also detailed analysis using transmission electron microscopy.The integration of nanowires into devices requires to connect them. A process based on the method of local oxidation of silicon is proposed to form Si(111) seeds, from Si(001) substrate. Gold droplets are then located in these seeds and are used to grow nanowires oriented along one of the directions [111].Finally, the growth kinetics of germanium nanowires was studied. Restrictions on the use of 10% germane diluted in hydrogen in our system epitaxy UHV-CVD has been demonstrated. Given our experimental setup, the precursor gas was changed to the digermane diluted to 10% in hydrogen to promote vertical growth of Ge nanowires. This enabled us to develop Ge nanowires with growth rates up to 100 nm / min. Structural analysis showed the existence of a tapering of the nanowires. This is caused by the presence of lateral growth which increases with temperature. As in the case of Si nanowires, gold nanoclusters were observed on the sidewalls of the nanowires. However, the presence of gold is limited to the top of the nanowires. This diffusion of gold nanoclusters on the walls can be reduced by increasing the growth pressure. In addition, the variation of the speed of growth of Ge nanowires according to the radius of drops of gold has identified a critical radius of 6 nm below which the nanowire growth can occur. This result was interpreted using a model based on the Gibbs-Thomson effect and assuming that the limiting step in the vapor-liquid-solid growth is adsorption and evaporation of germanium.