Préparation des substrats pour la croissance VLS de nanofilsSummary of the presentation • The...

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LAAS-CNRS / Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes du CNRS Laboratoire conventionné avec l’Université Fédérale de Toulouse Midi-Pyrénées Préparation des substrats pour la croissance VLS de nanofils Sébastien Plissard

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Préparation des substrats pour la croissance VLS de nanofils

Sébastien Plissard

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Summary of the presentation

• The Vapor Liquid Solid mechanism (VLS)

• The physical modeling of the system

• The possible catalyst particles

• The self-catalyzed Nanowires • The Vapor Solid mechanism • The droplet assisted growth of nanowires

• The homosubstrates

• The silicon integration

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The VLS mechanism

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THE « BOTTOM-UP » INTEGRATION THE VAPOUR-LIQUID-SOLID (VLS) MECHANISM

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THE « BOTTOM-UP » INTEGRATION THE VAPOUR-LIQUID-SOLID (VLS) MECHANISM

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THE « BOTTOM-UP » INTEGRATION THE VAPOUR-LIQUID-SOLID (VLS) MECHANISM

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THE « BOTTOM-UP » INTEGRATION THE VAPOUR-LIQUID-SOLID (VLS) MECHANISM

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ENABLE NEW MATERIAL COMBINATIONS

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In most cases, the growth axis is [-1-1-1] for cubic phase or [0001] for hexagonal phase

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AN EXAMPLE OF INTEGRATION ON SILICON

Growth of GaAs and GaAsSb nanowires on Si(111)

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The physical modeling of the system

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The possible catalyst particles

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The list of the possible catalysts:

Gold (Au): Mostly used catalyst

Silver (Ag)

Platinum (Pt)

Copper (Cu)

Tin (Sn)

Element III (III-V nanowires)

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The deposition methods

Colloids + spinner

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The deposition methods

Colloids + spinner

In-situ deposition (gold or element III)

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Layer dewetting

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Substrate patterning

Growth

Nanowire arrays

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The self-catalyzed Nanowires

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Selective-Area Growth vs Self-Catalyzed Growth

• The Vapor Solid mechanism (VS) • The droplet assisted growth of nanowires (VLS)

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Selective-Area Growth • The Vapor Solid mechanism (VS)

Same issues than for 2D growth on Si

Pollution

Oxide removal

APD

One advantage:

The diffusion length on the oxide mask

No “parasitic” growth

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Self-Catalyzed Growth

• The droplet assisted growth of nanowires (VLS)

A few advantages compared to VS growth:

The NW diameter depends of the droplet

The droplet can remove the last traces of

oxide (example of Au or Ga)

It is possible to switch from VLS to VS

But …

Limited by the pollution

Not always possible

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THE SUBSTRATE PREPARATION

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THE SUBSTRATE PREPARATION

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THE SUBSTRATE PREPARATION

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THE SUBSTRATE PREPARATION

Self-catalyzed GaAs nanowires on Si(111) with e-beam lithography

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Self-catalyzed GaAs nanowires on Si(111) with e-beam lithography

THE SUBSTRATE PREPARATION

… also possible with Nano-Imprint lithography

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InAs InAsSb

More complicated with Indium based materials (no droplet - VS growth)

In2O3 more stable than Ga2O3

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de Toulouse Midi-Pyrénées

The homosubstrates

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InP nanowires

A large variety of materials: II-VI, III-V and IV-IV

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InP nanowires ZnO nanowires

A large variety of materials: II-VI, III-V and IV-IV

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A large variety of materials: II-VI, III-V and IV-IV

GaP nanowires

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A large variety of materials: II-VI, III-V and IV-IV

GaP nanowires

Si nanowires

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InP (001)

Other substrates

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InP (001)

Other substrates

GaAs on graphene

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de Toulouse Midi-Pyrénées

The silicon integration

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Requirements for the Silicon integration

Substrates: Si(001) vs Si(110) vs Si(111)

Vertical or Horizontal nanowires (surface preparation)

No “parasitic” growth (patterns)

No Cu or Au catalyst (create mid-gap levels)

Thermal budget < 450°C

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Requirements for the Silicon integration

Substrates: Si(001) vs Si(110) vs Si(111)

Vertical or Horizontal nanowires (surface preparation)

No “parasitic” growth (patterns)

No Cu or Au catalyst (create mid-gap levels)

Thermal budget < 450°C

MOVPE:

- Better homogeneity

- Large scale

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Requirements for the Silicon integration

Substrates: Si(001) vs Si(110) vs Si(111)

Vertical or Horizontal nanowires (surface preparation)

No “parasitic” growth (patterns)

No Cu or Au catalyst (create mid-gap levels)

Thermal budget < 450°C

MOVPE:

- Better homogeneity

- Large scale

MBE:

- Smaller diameters

- Better interfaces

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Ga-based materials (GaP, GaAs, GaSb) by MBE

GaAs(Sb) nanowires on Si(111) Standard HF de-oxidation The Ga droplet can “clean” the substrate (easy to remove the Ga2O3) The oxide help to increase the dewetting of the Ga droplets

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GaN nanowires

A particular case GaN nanowires

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GaN nanowires

A particular case GaN nanowires

Aledia

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In-based materials (InP, InAs, InSb) by MBE

InAs nanowires on Si(111) by MBE Standard HF de-oxidation The growth can be either VS or VLS If VLS then often missing wires If VS then T0 is not well defined In addition: - In do not “clean” the substrate - Difficult to remove the In2O3

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Creating a B-type Si(111) surface

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State of the art of InAs integration on Si(111) by MOVPE

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State of the art of InAs integration on Si(111) by MOVPE

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State of the art of InAs integration on Si(111) by MOVPE

The dislocation are locked at the interface

The InAs nanowires can be

defect-free and fully relaxed

… but not achieved at this yield for MBE

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An example of CMOS compatible InAs growth

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An example of CMOS compatible InAs growth

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An example of CMOS compatible InAs growth

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An example of CMOS compatible InAs growth

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The saturation of the surface with H atoms allows to switch

from VS to VLS due to an improved diffusion length on

the surface

An example of CMOS compatible InAs growth

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Merci pour votre attention