Characterization of silicon nanowires by transmission electron microscopy
Caractérisation de nanofils de silicium par microscopie électronique en transmission
Résumé
The goal of this thesis was to better understand and control nanowire growth by the Vapour Liquid Solid method, by means of structural, chemical and electronic characterization of nanowires using transmission electron microscopy. A first subject of study was the behavior of the gold catalyst particle. We have shown that control can be obtained over gold diffusion from the catalyst particle over the nanowire sidewall, by changing the growth parameters, which in turn influence the nanowire sidewall properties. The quantity of absorbed silane at the nanowire sidewall seems to be the important parameter, that depends both on silane partial pressure and temperature and also an effect of nanowire size was observed. A second topic was the crystallographic properties of the wires. The growth direction and sidewall faceting were studied. In general the crystalline quality of wires grown with a gold catalyst using silane was high. If other catalyst materials or precursor gasses were used more defects were observed. Especially in nanowires grown with a Ni catalyst and with a gold catalyst in combination with TMA, many vertical twin defects are present, as observed in an FIB prepared wire section sample. Therefore the different grains can superpose in the TEM image/DP, which can be falsely interpreted as a wurtzite hexagonal crystal structure. Clear evidence shows that in the observed nanowires no hexagonal phase (with long range order) was present, but a high twin defect density can mimic a hexagonal structure on the length of a few atomic planes. A third theme was active dopant detection using off-axis electron holography. We show for the first time doping contrast in thin (60 nm) nanowires with axially modulated doping. Using off axis electron holography the electrical properties of nanowires with axially modulated doping were studied, with the goal to determine the active dopant concentration. We show that active dopant detection is possible in nanostructures such as nanowires. Doping concentrations as low as 10^18 at. cm-3 can be detected with respect to intrinsic silicon in nanowires as thin as 60 nm. Potential simulations have been performed to better understand the experimental results. Comparison of experiments and simulations shows that the surface properties of these nanostructures, and more specifically the amount of charge present at or near the surface, are extremely important for the potential distribution in the structure. The estimated amount of charge present at the wire-oxide interface is -1x10^12 e.c. (electron charges) cm-2, which is in excellent agreement with the amount of charge estimated from transport measurements.
Le but de cette thèse a été à la fois de mieux comprendre les mécanismes de croissance de nanofils de silicium fait par le procédé Vapeur Liquide Solide, et aussi de contrôler la structure cristalline, la composition chimique et les propriétés électroniques grâce à la microscopie électronique en transmission (MET). Un premier sujet de recherche a été le comportement du catalyseur d'or pendant la croissance. Nous avons démontré que pendant la croissance, l'or peut diffuser sur les flancs des nanofils. Ensuite nous avons trouvé les paramètres de croissance pour contrôler cette diffusion : la pression partielle du silane et la température. Selon les paramètres de croissance les propriétés des flancs des nanofils sont modifiées lorsque le silane est absorbé sur les flancs, ce qui empêche ensuite l'or de diffuser. Il y a également un effet de taille sur le phénomène de diffusion. Dans un deuxième temps, une étude des propriétés cristallographiques des nanofils a été menée. Nous avons étudié la direction de croissance et l'apparition de facettes sur les flancs. En général, peu de défauts sont présents dans les fils catalysés par or avec le silane comme précurseur. Lorsque d'autres métaux catalyseurs ou gaz précurseurs sont introduits, la densité des défauts, surtout celle des macles verticales, peut augmenter considérablement. Pour cette raison des grains différents présents dans le cristal peuvent se superposer dans l'image MET ou cliché de diffraction, ce qui est interprété dans la littérature comme étant une phase hexagonale. Grâce à une tranche de fil préparée par FIB nous démontrons clairement qu'il n'y a pas de phase hexagonale. Néanmoins une haute densité de macles peut immiter une phase hexagonale sur quelques plans atomiques. Enfin, une étude des dopants actifs par holographie électronique a été réalisée. Nous montrons pour la première fois un contraste de dopants dans les nanofils fins avec une modulation du dopage axial. Le but de ces mesures est de déterminer la concentration en dopants. La mesure des dopants d'une concentration de 10^18 at. cm-3 par rapport au silicium intrinsèque est possible dans des fils de 60 nm de diamètre. La comparaison entre expériences et simulations du potentiel montre que l'état de surface, et plus précisément la quantité de charge sur ou proche de la surface, sont extrêmement importants pour la distribution du potentiel dans une telle structure. La quantité de charge sur l'interface fils-oxyde est de l'ordre de -1x10^12 e.c. (charge électronique) cm-2, ce qui s'accorde parfaitement avec la quantité de charge trouvée par mesures du transport.
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