[논문 리뷰] The Vapor-Solid-Solid Growth of Ge Nanowires on Ge (110) by Molecular Beam Epitaxy

Zhongyunshen Zhu, Yuxin Song외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 06.

Nanowire Synthesis and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 220 °C에서 분자束 epitaxy(MBE)를 이용해 Ge(110) 기질 상에서 저온의 기체-고체-고체(VSS) 성장으로 게르마늄(Ge) 나노와이어를 합성함을 보여주며, 세 가지 다른 성장 방향을 가지는 더 작은, 균일한 나노와이어를 달성하였다. 기존의 고온에서의 기체-액체-고체(VLS) 성장 방식과는 달리, VSS 메커니즘은 금(Au) 촉매와의 직경 일치를 향상시키고 열 손상을 감소시켜 실리콘(Si)-호환성 있는 Ge 나노와이어 통합을 위한 유망한 길을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 기반 통합 회로와 호환되는 저온 성장 방법을 개발하기 위해.
• 저온에서 기체-고체-고체(VSS) 메커니즘을 통해 성장한 Ge 나노와이어의 구조적 및 형태학적 진화를 조사하기 위해.
• VSS 성장 방식이 고온에서의 기존 기체-액체-고체(VLS) 성장 방식과 비교하여 나노와이어의 균일성, 직경 제어 및 성장 방향 측면에서 어떻게 다를지 분석하기 위해.
• Ge 나노와이어 합성의 맥락에서 VSS와 VLS 성장 방식 간의 기계적 차이를 이해하기 위해.

제안 방법

• 금(Au)을 촉매로 사용하여 220 °C에서 Ge(110) 기질 상에서 분자束 에pitaxy(MBE)를 이용해 Ge 나노와이어를 성장시켰다.
• 성장 과정 전반에 걸쳐 금 촉매가 고체 상태를 유지하는 기체-고체-고체(VSS) 성장 메커니즘을 적용하였다.
• 초고진공 조건 하에서 Ge 및 Au 빔의 정밀한 유량 제어를 통해 성장을 수행하였다.
• 나노와이어의 결정학적 방향과 형태를 분석하기 위해 투과전자현미경(TEM) 및 전자산란역도법(EBSD)을 사용하였다.
• 다양한 온도 범위에서의 나노와이어 치수, 균일성 및 성장 방향을 비교함으로써 VLS에서 VSS 성장으로의 전이 과정을 분석하였다.
• 관측된 Ge(110) 상에서의 세 가지 성장 방향을 설명하기 위해 VSS 메커니즘의 이론적 분 析를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 220 °C에서의 VSS 성장은 고온에서의 VLS 성장과 비교해 Ge 나노와이어의 직경 균일성 및 크기 제어 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ2 Ge(110) 기질 상에서 VSS 메커니즘을 통해 성장한 Ge 나노와이어의 주요 성장 방향은 무엇인가?
• RQ3 저온에서 VSS 성장이 VLS 성장보다 금 촉매와 더 나은 직경 일치를 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ4 VSS에서 액체 합금 상이 존재하지 않음으로써 나노와이어의 형태 및 구조적 품질은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 Ge(110) 상에서 VSS 성장에 의한 다수의 성장 방향이 나타나는 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 220 °C에서 VSS로 성장한 Ge 나노와이어는 고온에서 VLS로 성장한 나노와이어보다 더 작은 직경과 높은 균일성을 보였다.
• VSS로 성장한 Ge 나노와이어는 Ge(110) 기질 상에서 세 가지 명확한 성장 방향을 보였으며, 이는 VLS로 성장한 나노와이어가 오직 한 가지 성장 방향을 가지는 것과 대조된다.
• VSS 메커니즘은 나노와이어와 금 촉매 히피 사이의 직경 일치를 향상시켜 인터페이스 응력 감소에 기여한다.
• 저온 VSS 공정은 실리콘 기반 통합 회로의 열 창문과 호환되어 열 손상을 최소화한다.
• 낮은 온도에서 액체 합금 형성이 억제됨으로써 VLS에서 VSS 성장으로의 전이가 설명되며, 이는 성장 동역학과 방향 선택성의 변화를 초래한다.
• 이론적 분석은 VSS 메커니즘이 액체상 확산이 없고 Ge(110)의 비대칭 표면 에너지 효과로 인해 다수의 성장 방향을 촉진함을 확인한다.