STUDIES OF Si, Ge AND ZnO NANOSTRUCTURES SYNTHESIZED BY ELECTROCHEMICAL AND PLASMA ASSISTED TECHNIQUES FOR SENSING APPLICATIONS

ABSTARCT

The main goal of this work was to fabricate Si and Ge nanostructures using two cost effective techniques namely photo electrochemical etching (PEC) with thermal evaporation and secondly Radio Frequency (RF) magnetron sputtering of Ge thin film coupled with rapid thermal annealing. In the first method, porous silicon (PS) was generated using PEC. Structural analysis showed that uniform circular PS was obtained with increase roughness as compared to c-Si. Stronger Raman peak and a slight blueshift of PS indicated the change of its optical constant and the confinement of optical phonon respectively. The quantum confinement effect of PS has been observed by the increase in its bandgap (1.9eV). The Ge nanostructures synthesis was carried out by embedding Ge on/inside PS using thermal evaporation. The Si capping layer on Ge was shown to protect the Ge from vaporized and the Raman spectrum showed that good crystalline structure of the Ge was produced inside PS. The presence Ge inside PS has been shown to suppress the dark current and subsequently enhanced the gain (13.51) of Si/Ge/PS MSM photodetector. Following this, thermal drive in of embedded Ge at 750 C for 30 mins was carried out whereby it exhibited good optical properties and was respon

sible for the current gain enhancement (18 times). Adding ZnO to Ge embedded in PS using thermal evaporation extend the emissions from 380 nm to 639 nm. The MSM photodetector and hydrogen(H2) gas sensor were subsequently examined from the PS, Ge/PS and ZnO/Ge/PS samples. The PS exhibited the best response towards the white light with quantum efficiency of 12 % while ZnO/Ge/PS exhibited tremendous response upon UV light illumination with 89 % quantum efficiency. For hydrogen sensing, Pd on ZnO/Ge/PS Schottky diode exhibited dramatic change of current after exposure to H2 as compared to PS and Ge/PS devices. ZnO/Ge/PS showed higher sensitivity (67.9) to H2 than that of PS (5.38) and Ge/PS (2.45) with higher current (4.8 mA), shorter response (180 s) and recovery times (30 s).

In the second method, good crystalline Ge and SiGe nanostructures on the Si (100) substrate were obtained through RF magnetron sputtering and rapid thermal processing. The evolution of the Ge islands on Si were affected by the Si capping layer, different anneal times and temperatures. Uniform Ge and SiGe islands on the Si were evoluted with the assistance of the capping Si while the Ge layer completely vaporized in the absence of it. The size and distribution of the Ge islands can be controlled by the annealing times and temperatures. The results shown that increased annealing time of 30 s to 60 s has increased the Ge islands’ sizes (100 to 500 nm) and auto-arranged them to more uniform and dense structures (2.2×108 to 12.2×108 cm−2). The Si capping also showed significant role in relieving stress/strain and protect the Ge islands from oxidation. Finally, the effect of different annealing temperatures to the uncapped Ge on Si at much lower anneal time of 15 sec were investigated. The examination showed strong dependence of surface morphology and optical properties of the Ge islands formation on the annealing temperatures. Overall, the results showed the feasibility of producing good crystalline Ge nanostructures on Si for potential photonics devices by using the simple technique of sputtering and rapid annealing. 

 

ABSTRAK

Matlamat utama kajian dibentangkan adalah untuk memfabrikasi struktur nano Si dan Ge menggunakan dua teknik kos efektif iaitu punaran fotoelektrokimia (PEC) bersama penyejatan terma dan keduanya melalui Percikan Frekuensi Radio (RF) magnetron dari filem nipis Ge digabungkan bersama dengan penyepuhlindapan terma pesat. Dalam kaedah pertama, silikon berliang (PS) dijana menggunakan PEC. Analisis struktur menunjukkan seragam bulat PS telah diperolehi dengan peningkatan kekasaran permukaan berbanding c-Si. Puncak Raman yang kuat dan sedikit anjakan-biru dari PS menunjukkan perubahan pemalar optik dan pengurungan fonon optik. Kesan pengurungan kuantum dari PS telah diperhatikan dari peningkatan nilai jurang jalur (1.9eV). Sintesis struktur-struktur nano Ge telah dijalankan dengan menerapkan Ge pada atas/dalam PS menggunakan penyejatan terma. Lapisan penutup Si di atas Ge telah dibuktikan dapat melindungi Ge daripada mengewap dan spektrum Raman menunjukkan struktur Ge kristal yang baik telah dihasilkan di dalam PS. Kehadiran Ge terterap di dalam PS telah menyekat arus gelap dan seterusnya meningkatkan gandaan(13.51) fotopengesan Si/Ge/PS logam-semikonduktor-logam(MSM). Rentetan ini, pemanduan terma dalam Ge yang terterap telah di jalankan pada suhu 7500C selama 30 minit. Pemanduan ini menunjukkan ciri-ciri optik yang baik dan bertanggungjawab di atas peningkatan gandaan arus(18 kali). Penambahan ZnO pada permukaan Ge yang tertanam di dalam PS menggunakan penyejatan terma memanjangkan pancaran cahaya daripada 380 nm sehingga 639 nm. Pengesan foto MSM dan pengesan gas hidrogen(H2) kemudiannya diuji dari sampel PS, Ge/PS dan ZnO/Ge/PS. PS mempamerkan tindakbalas terbaik ke arah cahaya putih dengan kecekapan kuantum 12% manakala ZnO/Ge/PS mempamerkan tindakbalas tinggi kepada penerangan cahaya UV dengan 89% kecekapan kuantum. Untuk pengesan hidrogen, Pd pada ZnO/Ge/PS Schottky diod mempamerkan perubahan dramatik seusai pendedahan kepada H2 berbanding peranti dari PS dan Ge/PS. ZnO/Ge/PS menunjukkan lebih kepekaan(67.9) kepada H2 berbanding PS(5.38) dan Ge/PS(2.45) dengan arus yang tinggi(4.8 mA) dan masa tindakbalas(180 s) dan pemulihan(30 s) yang singkat. Dalam kaedah yang kedua, struktur nano Ge dan SiGe berkristal baik di atas Si (100) substrat telah diperolehi melalui percikan RF magnetron dan pemprosesan terma pesat. Evolusi pulau-pulau Ge di atas Si dipengaruhi oleh lapisan penutup Si, perbezaan masa dan suhu penyepuhlindapan. Pulau-pulau Ge dan SiGe yang seragam di atas Si telah berubah dengan bantuan lapisan penutup Si manakala tanpa lapisan ini menyebabkan lapisan Ge mengewap sepenuhnya. Saiz dan tebaran pulau-pulau Ge boleh dikawal oleh masa dan suhu penyepuhlindapan. Keputusan menunjukkan peningkatan masa penyepuhlindapan dari 30 s sehingga 60 s membawa kepada peningkatan saiz pulau-pulau Ge dan dengan sendirinya ia tersusun kepada struktur yang lebih seragam dan padat (2.2×108 to 12.2×108 cm−2). Lapisan penutup Si juga menunjukkan peranan penting dalam melegakan tekanan/ketegangan dan melindungi pulau-pulau Ge daripada pengoksidaan. Akhirnya, kesan suhu penyepuhlindapan berbeza kepada Ge tanpa penutup Si pada masa penyepuhlindapan yang amat rendah iaitu 15 saat telah dikaji. Pemeriksaan menunjukkan pergantungan yang kuat suhu penyepuhlindapan ke atas morfologi permukaan dan ciri-ciri optik pembentukan pulau Ge. Secara keseluruhannya, keputusan menunjukkan keboleh harapan menghasilkan struktur nano Ge berkristal baik Ge di atas Si untuk potensi peranti fotonik dengan menggunakan teknik mudah percikan dan penyepuhlindapan pantas.