Croissance et caracterisation de nanofils de Si et Ge

Growth and characterization of Si and Ge nanowires

• Auteur / Autrice : Mahmoud Israel
• Direction : Jean-Pierre Landesman, Laurent Pichon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 22/07/2015
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière (Rennes ; 1996-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : PRES : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance optique

Semiconducteurs

Nanofils

Mots clés libres

Nanofils

Semi-Conducteur

VLS

LPCVD

Démouillage

Modèle de croissance

Résonance optique

Nanowires

Semiconductor

VLS

LPCVD

Dewetting

Growth model

Optical resonance

Résumé

Nous nous sommes intéressés à la croissance et la caractérisation de nanofils de silicium (Si) et de germanium (Ge). Les nanofils ont été synthétisés par le mécanisme VLS (Vapeur Liquide Solide) dans un réacteur LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition), en utilisant l'or (Au) comme catalyseur et le silane (SiH4) ou le germane (GeH4) comme gaz précurseur. Pour que ce procédé de croissance conduise à l'obtention de nanofils, le catalyseur Au doit être nano-structuré sous la forme de nanoparticules de diamètre si possible contrôlé. Ceci est fait dans cette étude par « démouillage » d'une couche continue déposée initialement par effet Joule sur le substrat choisi. L'épaisseur de cette couche continue initiale est un paramètre essentiel dans l'étude. Une partie préliminaire de ce travail a concerné l'étude de la façon dont se démouillage s'effectue, en fonction des divers paramètres. Nous avons ensuite effectué une étude exhaustive du rôle de tous les paramètres (nature du substrat, température, pression, épaisseur de la couche continue d'or, temps de croissance, durée et température de démouillage) qui contrôlent le procédé de croissance LPCVD sur les caractéristiques des nanofils de Ge notamment. Nous avons fait varier ces paramètres dans de larges fenêtres de valeurs afin de maîtriser et contrôler leur croissance. La caractérisation structurale des nanofils par microscopie électronique en transmission montre leur structure monocristalline avec une direction de croissance <111> pour les nanofils de Si et <110> pour les nanofils de Ge. Enfin, dans le cas des nanofils de Ge coniques isolés et déposés sur différents substrat, l'analyse micro-Raman nous a permis de mettre en évidence un phénomène de résonance optique à l'intérieur du nanofils et qui dépend fortement du diamètre local du nanofil. L'intensité Raman augmente avec la diminution du volume excité. Ces effets sont expliqués par les modes optiques apparaissant selon le diamètre local du nanofil, la longueur d'onde d'excitation et la nature du substrat utilisé. En plus, Le profil de la fréquence obtenu a montré qu'aucune anomalie particulière n'est observée. Ces profils obtenus en fonction du substrat et de la longueur d'onde utilisés sur différents nanofils montrent une faible variation de la fréquence. Le profil de la largeur à mi-hauteur est constant. Ces résultats montrent l'absence des effets de confinement de modes de phonons dans les nanofils individuels caractérisés.

This work deals with the growth and characterization of silicon (Si) and germanium (Ge) nanowires. The nanowires were synthesized by the growth mechanism VLS (Vapor Liquid Solid) in a LPCVD reactor (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) using gold (Au) as the catalyst and silane (SiH4) and germane (GeH4) as precursor gas. In order to grow nanowires, the Au catalyst must be nano-structured in the form of nano-particles with controlled diameter if possible. This is done in this study by “dewetting” of a continuous layer evaporated on the chosen substrate. The thickness of this initial continuous layer is an essential parameter in the study. A preliminary part of this work deals with the problem of how the “dewetting” occurs, depending on various parameters (type of substrate, temperature, pressure, thickness of the continuous gold layer, growth duration and “dewetting” temperature) that control the LPCVD growth process. We varied these process parameters over wide ranges to determine how the influence the properties of Ge nanowires grown. The structural characterization of nanowires by transmission electron microscopy shows their single crystal structure with growth direction along <111> in the case of Si nanowires and along <110> for Ge nanowires. Finally, in the case of conical Ge nanowires isolated and deposited on different substrates, the micro-Raman analysis allowed us identifies an optical resonance phenomenon inside the nanowires which strongly depends on their local diameter. The Raman intensity increases with the decrease of volume excited. These effects are explained by the optical modes appearing according to the local diameter of the nanowire, the excitation wavelength and the nature of the substrate used. In addition, the Raman lines recorded along the same profiles did not show any spectral shift, reinforcing the idea that the behavior of their intensity has to be related to resonances associated with the development of local optical modes. These effects were observed to be dependent upon the type of substrate on which the isolated nanowires were transferred (dielectric versus metallic substrates). No effect of the confinement of phonon mode in our nanowires was observed.