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Self-organized and self-catalyst growth of semiconductor and metal wires by vapour phase epitaxy: GaN rods versus Cu whiskers - 07/03/13

Doi : 10.1016/j.crhy.2012.10.009 
Joël Eymery a, , Xiaojun Chen a, Christophe Durand a, Matthias Kolb b, Gunther Richter b
a Équipe mixte CEA–CNRS–UJF “Nanophysique et semiconducteurs”, SP2M, UMR-E CEA/UJF-Grenoble 1, INAC, 38054 Grenoble, France 
b Max Planck Institute for Intelligent Systems, Heisenbergstrasse 3, 70569 Stuttgart, Germany 

Corresponding author.

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Abstract

Wires represent a new class of nanostructures that offer unprecedented freedom in materials design and new physical properties. Amongst the very different growth mechanisms reported in literature, the vapour-phase growth of self-catalyzed wires has the advantages of simplicity and rapidity with a low level of contaminants. The elaborations of semiconducting and metallic wires are usually considered as very distinct fields and no significant analogies have been noticed yet. This paper illustrates significant similarities of the mechanisms involved in the GaN and Cu wire growths that highlight firstly the role of the substrate surface preparation (with the deposition of an intermediate layer on the substrate surface impacting the nucleation seeds) and secondly the role of the different diffusion paths contributing to the one-dimensional growth in particular the influence of the surrounding gas phase and respective diffusion lengths on the substrate surface and wire sidewall. Experimental data describing the evolution of the wire diameter and length as a function of the growth time are quantitatively analyzed to evidence different growth regimes.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Résumé

Les nanofils représentent une nouvelle classe de matériaux qui offrent des possibilités nouvelles en termes de design et de propriétés physiques. Parmi les différents mécanismes de croissance rapportés dans la littérature, la croissance en phase vapeur de fils auto-catalysés présente lʼavantage dʼêtre simple et rapide, tout en assurant un faible niveau de contamination chimique. Les procédés dʼélaboration des fils de semiconducteurs et de métaux sont en général considérés comme bien distincts et peu dʼanalogies ont été rapportées jusquʼà présent. Cet article illustre des similarités notables entre les mécanismes de croissance de fils de GaN et de Cu, qui mettent en évidence, premièrement, le rôle de la préparation de surface (avec le dépôt dʼune couche intermédiaire sur le substrat qui impacte directement la nucléation des fils) et, deuxièmement, celui des différents chemins de diffusion, qui contribuent à la croissance unidimensionnelle, en particulier lʼinfluence de la phase gazeuse environnante et des longueurs de diffusion sur la surface du substrat et sur les facettes de fils. Les données expérimentales décrivant lʼévolution du diamètre et de la longueur des fils en fonction du temps de croissance sont analysées quantitativement pour mettre en évidence différents régimes de croissance.

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Keywords : Crystalline growth, Wires, Mechanisms, Vapour phase, GaN, Cu

Mots-clés : Croissance cristalline, Fils, Mécanismes, Phase vapeur, GaN, Cu


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Vol 14 - N° 2-3

P. 221-227 - février 2013 Retour au numéro
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  • Synchrotron X-ray imaging for crystal growth studies
  • José Baruchel, Marco Di Michiel, Tamzin Lafford, Pierre Lhuissier, Jacques Meyssonnier, Henri Nguyen-Thi, Armelle Philip, Petra Pernot, Luc Salvo, Mario Scheel
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