[論文レビュー] The Vapor-Solid-Solid Growth of Ge Nanowires on Ge (110) by Molecular Beam Epitaxy

Zhongyunshen Zhu, Yuxin Song+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2017

Nanowire Synthesis and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、220 °Cで分子線 epitaxy (MBE) を用いてGe(110)基板上に低温度の気相-固体-固体 (VSS) 成長を実現し、より小さな直径で均一性の高いGeナノワイヤを、3つの異なる成長方向を示すように得た。従来の高温での気相-液体-固体 (VLS) 成長とは異なり、VSSメカニズムはAu触媒とナノワイヤの直径をよりよく一致させ、熱的損傷も低減するため、Siと相性の良いGeナノワイヤ統合への有望な道筋を提供する。

ABSTRACT

We demonstrate Au-assisted vapor-solid-solid (VSS) growth of Ge nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy (MBE) at 220 °C, which is compatible with the temperature window for Si-based integrated circuit. Low temperature grown Ge NWs hold a smaller size, similar uniformity and better fit with Au tips in diameter, in contrast to Ge NWs grown at around or above the eutectic temperature of Au-Ge alloy in the vapor-liquid-solid (VLS) growth. Three growth orientations were observed on Ge (110) by the VSS growth at 220 °C, differing from only one growth direction of Ge NWs by the VLS growth at a high temperature. The evolution of NWs dimension and morphology from the VLS growth to the VSS growth is qualitatively explained via analyzing the mechanism of the two growth modes.

研究の動機と目的

• Siベースの統合回路と相性の良い低温度のGeナノワイヤ成長法の開発を目的とする。
• 低温度で低下したVSSメカニズムを用いて成長したGeナノワイヤの構造的・形態的進化を調査すること。
• VSS成長と従来の高温でのVLS成長を比較し、ナノワイヤの均一性、直径制御、成長方向の観点から検討すること。
• Geナノワイヤ合成の文脈におけるVSSとVLS成長モードのメカニズム的差異を理解すること。

提案手法

• Auを触媒として用い、220 °CでGe(110)基板上にMBEを用いてGeナノワイヤを成長させた。
• 気相-固体-固体 (VSS) 成長メカニズムを採用し、Au触媒が成長過程中も固体のままであることを確保した。
• 超高真空条件下で、GeおよびAuビームの流量を精密に制御して成長を実施した。
• TEM（透過電子顕微鏡）およびEBSD（電子バックストリート回折）を用いて、ナノワイヤの結晶学的方位および形態を分析した。
• 異なる温度領域におけるナノワイヤの寸法、均一性、成長方向の比較を通じて、VLSからVSSへの移行を分析した。
• 理論的解析を用いて、Ge(110)上に観察された3つの成長方向の背後にあるメカニズムを説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 220 °CでのVSS成長は、高温でのVLS成長と比較して、Geナノワイヤの直径の均一性およびサイズ制御においてどのように異なるか？
• RQ2 Ge(110)基板上でのVSSメカニズムを用いた成長において、Geナノワイヤの主な成長方向は何か？
• RQ3 低温でのVSS成長が、VLS成長と比較してAu触媒とより良い直径一致を実現する理由は何か？
• RQ4 VSSでは液体合金相が存在しないが、これによりナノワイヤの形態および構造的品質にどのような影響を与えるか？
• RQ5 Ge(110)上でのVSS成長Geナノワイヤに複数の成長方向が現れる背後にあるメカニズムは何か？

主な発見

• 220 °CでのVSS成長により得られたGeナノワイヤは、高温でのVLS成長に比べてより小さな直径で、均一性に優れている。
• VSS成長Geナノワイヤでは、Ge(110)上に3つの明確な成長方向が観察されたが、VLS成長ナノワイヤでは1つの方向しか観察されなかった。
• VSSメカニズムにより、ナノワイヤとAu触媒チップの直径がよりよく一致し、界面ひずみが低減された。
• 低温度VSSプロセスは、Siベースの統合回路の熱的許容範囲に適合しており、熱的損傷を最小限に抑えることができる。
• VLSからVSSへの移行は、低温で液体合金の形成が抑制されることに起因し、これにより成長キネティクスと方位選択が変化することが説明された。
• 理論的解析により、VSSメカニズムが液体相拡散の不在とGe(110)の異方的表面エネルギー効果により、複数の成長方向を促進することが確認された。