Sub-eutectic synthesis of epitaxial Si-nanowires using octachlorotrisilane as precursor

Abstract

Während der letzten 10 Jahre haben Forderungen der Elektronik-Branche und ihrer Kunden nach kleineren und leistungsfähigeren Geräten zur Erschließung des Nanometerbereichs geführt. Nanodrähte versprechen eine attraktive Möglichkeit zu sein den Anforderungen als Bausteine für diesen relativ neuen Bereich der Elektronik zu entsprechen. Neben ihrer geringen Größe verfügen NWs aufgrund ihres hohen Anteils an Oberflächen-Atomen über veränderte physikalische und chemische Eigenschaften. Im Detail können bei der Herstellung von NWs mit Durchmessern von 10 nm oder weniger Veränderungen bei Lichtabsorption, super paramagnetischem Verhalten, verringertem Schmelzpunkttemperaturen und geändertem chemischen Potentials erwartet werden. Natürlich ist es eine attraktive Möglichkeit, die Eigenschaften eines Materials anhand seiner Größe und Geometrie anzupassen und damit Bauteile mit sehr definiertem Verhalten zu erzeugen. Daher konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf Synthese und Charakterisierung von Si-NWs, die durch chemische Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) mit Si_3Cl_8 (OCTS) als neuartigem Precursor erfolgt. OCTS ist im Vergleich zu den etablierten Precursorn SiH_4, SiCl_4 oder Si_2H_6 ein relativ neuer Precursor, aber es ist noch ungeklärt, ob alle zukünftigen Eigenschaften von einer einzigen dieser Chemikalien optimiert werden können. Außerdem werden in dieser Arbeit alternative Katalysatoren untersucht, um das vielseitige und bereits etablierte Au zu ersetzen, da dieses so genannte Deep Leevel Traps in Si induziert, was die Geräteeigenschaften eines Bauteils erheblich verschlechtert. Namentlich wurden Al, Ag, Cu, In, Ni, Pt und Ti untersucht. Im Allgemeinen wird ein Ansatz analog zum populären Vapor-Solid-Solid (VLS) angewendet, einige Katalysatoren wie Cu und Ni tendieren aber dazu NWs über einen Vapor-Solid-Solid (VSS)-Mechanismus zu generieren. Wachstums Parameter wie Temperatur, Precursor-Partialdruck, H_2-Durchflussmengen und Probenvorbereitung werden untersucht. Danach werden die NWs mittels SEM und HRTEM charakterisiert, was eine kristallographische Untersuchung von Defekten und Wachstumsorientierung miteinschließt. Alle NWs, mit Ausnahme der Ni katalysierten, welche entlang [100] und [110] wachsen, wachsen in [111] Richtung; mit Au, Pt und Ni wurde auch epitaktisches Wachstum erzielt. In weiteren Experimenten werden auch BBr_3 und PCl_3 der Wachstums-Atmosphäre für die Produktion von in-situ dotierten NWs hinzugefügt. Der Zusatz von B beschleunigt die Precursorzersetzung und führt zu einer dicken, amorphen Schale um den NW. Bis zu zwei Drittel des NW-Durchmessers besteht hierbei aus amorphem Si. Die Wachstumsrichtung änderte sich ebenfalls zu [112]. P andererseits reduziert die Wachstums-Geschwindigkeit durch die Blockierung von Absorptionsstellen. Auch epitaktische NWs in [112]-Richtung werden hier erfolgreich gewachsen. Andere Katalysatoren werden von den Dotierstoffen stärker betroffen als Au, da sie entweder das NW-Wachstum vollständig unterdrücken oder zumindest die Epitaxie verhindern. In der letzten Phase dieser Arbeit werden die NWs elektrisch charakterisiert. Es ergiebt sich, daß der elektrische Widerstand stark vom verwendeten Katalysator abhängt. Cu (7,8*10 4 omegacm) und Ni (1,57*10 4 omegacm) katalysierte NWs verfügen über den höchsten elektrischen Widerstand, während Au einen Wert von 5.96*10 3 omegacm zur Folge hat, was sich im Bereich von Literaturwerten befindet. Ag (4.23*10 3 omegacm) und Pt (9,72*10 2 omegacm) produzierten NWs mit noch niedrigerem elektrischem Widerstand. Dotierte NWs weisen mit 1,98*10 -1 omegacm für B und 2,4*10 -3 omegacm für P den niedrigeren elektrischen Widerstand auf.

Over the last decade demands from the electronic industry and its customers to create smaller and more powerful devices, have driven electronics into the nano scale. Nanowires (NW) provide an attractive possibility to meet requirements as building blocks for this rather new field of nano-electronics. Besides their tiny geometrical features, NWs also feature altered physical and chemical properties due to their high share of surface atoms. Specifically changes in light absorption, super paramagnetic behaviour, a lowered melting point and an altered chemical potential can be expected when producing NWs with diameters below 10 nm. Of course tailoring materials properties by adjusting its size can be an attractive way to design devices with novel properties. Therefore the present work focuses on synthesis and characterisation of Si-NWs by atmospheric pressure chemical vapour deposition (APCVD) by using Si_3Cl_8 (OCTS) as a novel precursor. OCTS is a rather new precursor compared to the well established SiH_4, SiCl_4 or Si_2H_6, but it is doubtful that all of the future requirements will be met by only one of these precursors. Furthermore alternative catalysts to replace the most common and versatile Au are investigated as it introduces deep level traps into silicon, which deteriorates device performance considerably. Namely Al, Ag, Cu, In, Ni, Pt and Ti were tested with varying success. In general an approach analogous to the well established Vapour-Liquid-Solid (VLS) mechanism was applied, although some catalysts like Cu and Ni tend to produce NWs via a Vapour-Solid-Solid (VSS) mechanism. Growth parameters like temperature, partial pressure of the precursor, gas feed composition, flow rates and sample preparation were investigated. Afterwards the NWs were examined by SEM and HRTEM, which included a crystallographic investigation of defects and growth orientation. All NWs grew along the [111] direction except for the Ni catalysed ones, which grew along [100] and [110], with Au, Pt and Ni also featuring epitaxy. In later experiments also BBr_3 and PCl_3 were added to the precursor for growing in situ doped NWs. The addition of B accelerated precursor decomposition and resulted in deposition of a thick amorphous shell wrapped around the NW. Up to two third of a NW-s diameters grown this way consisted of amorphous Si. Also the growth direction was changed to [112]. P on the other side reduced growth speed by blocking absorption spots on the catalyst, but also epitaxial NWs growing along the [112] direction were achieved. Other catalysts were more severely affected by dopants than Au, thus either suppressed NW growth completely or at least prevented epitaxy. In the last stages of this work NWs were characterized electrically. The resistivity strongly depends on the used catalyst: Cu (7.8*10 4 omegacm) and Ni catalysed (1.57*10 4 omegacm) NWs feature the highest resistivity, while Au lead to a resistivity of 5.96*10 3 omegacm, which is in range of values obtained in literature. Ag (4.23*10 3 omegacm) and Pt (9.72*10 2 omegacm) produced NWs with even lower resistivities. As expected doped NWs- resistivities were even lower with 1.98*10 -1 omegacm for B doped and 2.4*10 -3 omegacm for P doped ones.