Silicon Nanowire growth technologies for nanomechanical devices

Abstract

Nanohilos de silicio obtenidos mediante el mecanismo de vapor-liquido-solido (VLS) ofrecen extraordinarias propiedades para aplicaciones en dispositivos nanomecánicos. Su calidad estructural (baja densidad de defectos, superficie lisa) y sus propiedades mecánicas únicas (auto-ensamblado robusto, alta rigidez y piezoresistencia gigante) junto con, recientes progresos en el control del crecimiento, prometen permitir un funcionamiento sin precedentes para una gran variedad de sistemas. Sin embargo, la fabricación generalmente está limitada a prototipos y más esfuerzos para conseguir un control simultáneo de las propiedades de los nanohilos y la posición son necesarios. Esta tesis ha sido centrada en el desarrollo de tecnologías de fabricación con alto rendimiento/ a gran escala de dispositivos basados en nanohilos de silicio que exploten sus propiedades excepcionales. Tecnologías de fabricación para el crecimiento selectivo de matrices de nanohilos de silicio y de nanohilos individuales en dispositivos funcionales han sido desarrolladas y posteriormente adaptadas para la fabricación de diversos dispositivos basados en nanohilos. En particular, el diseño, la fabricación y la caracterización de un cantilever piezoresistivo en el que el elemento de sensado está compuesto por una matriz de nanohilos ha sido demostrado. Los coeficientes piezoresistivos gigantes característicos de los nanohilos de Silicio se trasladan en un incremento en la sensibilidad mecánica comparada con dispositivos basados en silicio volumétrico. Por otro lado, se ha realizado la fabricación de resonadores nanomecánicos basados en nanohilos individuales. La caracterización de estos dispositivos demostró que los nanhilos individuales son excepcionales plataformas para el desarrollo de sensores de masa ultra sensibles y para el estudio de propiedades fundamentales de estructuras nanomecánicas.

Silicon nanowires obtained via vapor-liquid-solid (VLS) mechanism offer many extraordinary properties for applications in nanomechanical devices. Their structural quality (low defect density, surface flatness) and unique mechanical properties (robust self-assembly, high stiffness, giant piezoresistance) together with, recent advances in growth control, promise to allow unprecedented performance of wide variety of systems. However, device fabrication is generally limited to prototype fabrication and more efforts to achieve simultaneous control of nanowire properties and location are needed. This thesis has been focused towards the development of high yield/ large scale fabrication technologies based on catalyst grown Si nanowire to realize devices that exploit their exceptional properties. Fabrication technologies for the selective growth of silicon nanowire arrays and single nanowire on functional devices have been developed and posteriorly adapted for the fabrication of several nanowire based devices. In particular, the design, fabrication and characterization of a piezoresistive cantilever in which the active sensor is composed of an horizontal Si nanowire array has been demonstrated. Giant piezoresistance coefficients characteristics of Si nanowires are translated into an increment in the cantilever mechanical sensitivity compared with similar bulk devices. On the other hand, the fabrication of nanomechanical resonators based on single nanowires for mass sensing applications with different transduction mechanims has been performed. The characterization of these devices proved that single nanowires are exceptional platforms to develop ultra-high sensitive mass sensors and to study fundamental properties of nanomechanical structures.