Silicon nanowire growth and properties: A review

Materials Express

Volumn 1, Issue 2, 2011, Pages 105-126

  Ramanujam, Jeyakumar ^a   Shiri, Daryoush ^a   Verma, Amit ^b  

^a UNIVERSITY OF WATERLOO   (Canada)

^b TEXAS A AND M UNIVERSITY KINGSVILLE   (United States)

Author keywords

Bottom up; Catalyst free growth; Catalysts; Electron Phonon; Mobility; Optical anisotropy; Photoluminescence; Silicon nanowire field effect transistors; Silicon nanowire growth; Vapour liquid solid

Indexed keywords

EID: 84863980108     PISSN: 21585849     EISSN: 21585857     Source Type: Journal    
DOI: 10.1166/mex.2011.1013     Document Type: Review

References (138)

1. R. S. Wagner and W. C. Ellis, Appl. Phys. Lett. 4, 89 (1964).
2. L. Tsakalakos, J. Balch, J. Fronheiser, B. A. Korevaar, O. Sulima, and J. Rand, Appl. Phys. Lett. 91, 233117 (2007).
3. E. Garnett and P. Yang, Nano Lett. 10, 1082 (2010).
4. N. Singh, W. W. Fang, S. C. Rustagi, K. D. Budharaju, S. H. G. Teo, S. Mohanraj, G. Q. Lo, N. Balasubramanian, and D.-L. Kwong, IEEE Electron Dev. Lett. 28, 558 (2007).
5. J. Fu, K. D. Buddharaju, S. H. G. Teo, C. Zhu, M. B. Yu, N. Singh, G. Q. Lo, N. Balasubramanian, D. L. Kwong, Trap layer engineered gate-all-around vertically stacked twin si-nanowire nonvolatile memory. IEEE Int. Conf. Electron Dev. Meeting, Washington, DC, December (2007).
6. K. E. Moselund, P. Dobrosz, S. Olsen, V. Pott, L. D. Michielis, D. Tsamados, D. Bouvet, A. O’Neil, and A. M. Ionescu, Bended gate-all-around nanowire MOSFET: A device with enhanced carrier mobility due to oxidation-induced tensile stress. IEEE Int. Conf. Electron Dev. Meeting, December, Washington, DC, (2007).
7. A. A. Talin, L. L. Hunter, F. Leonard, and B. Rokad, Appl. Phys. Lett. 89, 153102 (2006).
8. X. T. Zhou, J. Q. Hu, C. P. Li, D. D. D. Ma, C. S. Lee, and S. T. Lee, Chem. Phys. Lett. 369, 220 (2003).
9. G. Zheng, X. P. A. Gao, and C. M. Lieber, Nano Lett. 10, 3179 (2010).
10. E. Stern, J. F. Klemic, D. A. Routenberg, P. N. Wyrembak, D. B. Turner-Evans, A. D. Hamilton, D. A. LaVan, T. M. Fahmy, and M. A. Reed, Nature 445, 519 (2007).
11. Y. L. Bunimovich, Y.-S. Shin, W. S. Yeo, M. Amori, G. Kwong, and J. R. Heath, J. Am. Chem. Soc. 128, 16323 (2006).
12. C. Yang, C. J. Barrelet, F. Capasso, and C. M. Lieber, Nano Lett. 6, 2929 (2006).
13. O. Hayden, R. Agarwal, and C. M. Lieber, Nat. Mater. 5, 352 (2006).
14. Y. Huang, X. Duan, and C. M. Lieber, Small 1, 142 (2005).
15. O. Hayden, A. B. Greytak, and D. C. Bell, Adv. Mater. 17, 701 (2005).
16. D. Shiri, Y. Kong, A. Buin, and M. P. Anantram, Appl. Phys. Lett. 93, 073114 (2008).
17. A. Zhang, S. You, C. Soci, D. Wang, and Y.-H. Lo, Planar and vertical Si nanowire photodetectors, Lasers and Electro-Optics, and Conference on Quantum Electronics and Laser Science, CLEO/QELS, San Jose, California, May (2008).
18. D. D. D. Ma, C. S. Lee, F. C. K. Au, S. Y. Tong, and S. T. Lee, Science 299, 1874 (2003).
19. J. D. Holmes, K. P. Johnston, R. C. Doty, and B. A. Korgel, Science 287, 1471 (2000).
20. L. Tsakalakos, J. Balch, J. Fronheiser, M.-Y. Shih, S. F. LeBoeuf, M. Pietrzykowski, P. J. Codella, B. A. Korevaar, O. Sulima, J. Rand, A. Davuluru, and U. Rapol, J. Nanophoton 1, 013552 (2007).
21. B. M. Kayes, H. A. Atwater, and N. S. Lewis, J. Appl. Phys. 97, 114302 (2005).
22. B. Tian, X. Zheng, T. J. Kempa, Y. Fang, N. Yu, G. Yu, J. Huang, and C. M. Lieber, Nature 449, 885 (2007).
23. E. C. Garnett and P. Yang, J. Amer. Chem. Soc. 130, 9224 (2008).
24. F. Sacconi, M. P. Persson, M. Povolotskyi, L. Latessa, A. Pecchia, A. Gagliardi, A. Balint, T. Frauenheim, and A. Di Carlo, Journal of Computational Electronics 6, 329 (2007).
25. I. Park, Z. Li, A. P. Pisano, and R. S. Williams, Nanotechnol. 21, 015501 (2010). 26. G. Pennelli, Microelectron. Eng. 86, 2139 (2009).
26. S. Chen, J. G. Bomer, W. G. van der Wiel, E. T. Carlen, and A. van den Berg, ACS Nano 3, 3485 (2009).
27. O. H. Elibol, D. Morisette, D. Akin, J. P. Denton, and R. Bashir, Appl. Phys. Lett. 83, 4613 (2003).
28. K. K. Lew, L. Pan, T. E. Bogart, S. M. Dilts, E. C. Dickey, J. M. Redwing, Y. Wang, M. Cabassi, T. S. Mayer, and S. W. Novak, Appl. Phys. Lett. 85, 3101 (2004).
29. N. Ozaki, Y. Ohno, and S. Takeda, Appl. Phys. Lett. 73, 3700 (1998).
30. Y. Wang, V. Schmidt, S. Senz, and U. Gösele, Nat. Nanotechnol. 1, 186 (2006).
31. Y. Y. Wong, M. Yahaya, M. M. Salleh, and B. Y. Majlis, Sci. Tech. Adv. Mater. 6, 330 (2005).
32. P. D. Kanungo, N. Zakharov, J. Bauer, O. Breitenstein, P. Werner, and U. Goesele, Appl. Phys. Lett. 92, 263107 (2008).
33. D. P. Yu, Z. G. Bai, Y. Ding, Q. L. Hang, H. Z. Zhang, J. J. Wang, Y. H. Zou, W. Qian, G. C. Xiong, H. T. Zhou, and S. Q. Feng, Appl. Phys. Lett. 72, 3458 (1998).
34. J. Mallet, M. Molinari, F. Martineau, F. Delavoie, P. Fricoteaux, and M. Troyon, Nano Lett. 8, 3468 (2008).
35. A. K. Buin, A. Verma, and M. P. Anantram, J. Appl. Phys. 104, 053716 (2008).
36. A. K. Buin, A. Verma, A. Svizhenko, and M. P. Anantram, Nano Lett. 8, 760 (2008).
37. E. B. Ramayya, D. Vasileska, S. M. Goodnick, and I. Knezevic, J. Appl. Phys. 104, 063711 (2008).
38. J. Wang, A. Rahman, A. Ghosh, G. Klimeck, and M. Lundstrom, IEEE Trans. Electron Devices 52, 1589 (2005).
39. G. Liang, J. Xiang, N. Kharche, G. Klimeck, C. M. Lieber, and M. Lundstrom, Nano Lett. 7, 642 (2007).
40. H. Scheel, S. Reich, and C. Thomsen, Phys. Stat. Sol. (b) 242, 2474 (2009).
41. T.-L. Chan, C. V. Ciobanu, F.-C. Chuang, N. Lu, C.-Z. Wang, and K.-M. Ho, Nano Lett. 6, 277 (2006).
42. V. A. Fonoberov and A. A. Balandin, Nano Lett. 6, 2442 (2006).
43. Y. Cui, X. Duan, J. Hu, and C. M. Lieber, J. Phys. Chem. B 104, 5213 (2000).
44. Y. Huang, X. Duan, Y. Cui, L. J. Lauhon, K.-H. Kim, and C. M. Lieber, Science 294, 1313 (2001).
45. Y. Cui, Z. Zhong, D. Wang, W. U. Wang, and C. M. Lieber, Nano Lett. 3, 149 (2003).
46. K. Byon, D. Tham, J. E. Fischer, and A. T. Johnson, Appl. Phys. Lett. 90, 143513 (2007).
47. N. Singh, A. Agarwal, L. K. Bera, T. Y. Liow, R. Yang, S. C. Rustagi, C. H. Tung, R. Kumar, G. Q. Lo, N. Balasubramanian, and D.-L. Kwong, IEEE Electron Device Lett. 27, 383 (2006).
48. S-M. Koo, A. Fujiwara, J-P. Han, E. M. Vogel, C. A. Richter, and J. E. Bonevich, Nano Lett. 4, 2197 (2004).
49. A. Verma, A. K. Buin, and M. P. Anantram, J. Appl. Phys. 106, 113713 (2009).
50. S.-W. Chung, J.-Y. Yu, and J. R. Heath, Appl. Phys. Lett. 76, 2068 (2000).
51. Y. Cui and C. M. Lieber, Science 291, 851 (2001).
52. O. Gunawan, L. Sekaric, A. Majumdar, M. Rooks, J. Appenzeller, J. W. Sleight, S. Guha, and W. Haensch, Nano Lett. 8, 1566 (2008).
53. J. Martinez, R. V. Martinez, and R. Garcia, Nano Lett. 8, 3636 (2008).
54. T.-ta. Ho, Y. Wang, S. Eichfeld, K.-K. Lew, B. Liu, Suzanne E. Mohney, J. M. Redwing, and T. S. Mayer, Nano Lett. 8, 4359 (2008).
55. S.-M. Koo, M. D. Edelstein, Q. Li, C. A. Richter, and E. M. Vogel, Nanotechnol. 16, 1482 (2005).
56. A. G. Cullis and L. T. Canham, Nature 353, 335 (1991).
57. A. J. Read, R. J. Needs, K. J. Nash, L. T. Canham, P. D. J. Calcott and A. Qteish, Phys. Rev. Lett. 69, 1232 (1992).
58. P. D. J. Calcott, K. J. Nash, L. T. Canham, M. J. Kane, and D. Brumhead, J. Phys: Condens. Matter. 5, L91 (1993).
59. G. D. Sanders and Y. C. Chang, Phys. Rev. B 45, 9202 (1992).
60. J. B. Xia and K. W. Cheah, Phys. Rev. B 55, 15688 (1997).
61. C. Y. Yeh, S. B. Zhang, and A. Zunger, Phys. Rev. B 50, 14405 (1994).
62. F. Buda, J. Kohanoff, and M. Parrinello, Phys. Rev. Lett. 69, 1272 (1992).
63. M. Hybertsen and M. Needels, Phys. Rev. B 48, 4608 (1993).
64. X. Zhao, C. M. Wei, L. Yang, and M. Y. Chou, Phys. Rev. Lett. 92, 236805 (2004).
65. M. Gotza, M. Dutoit, and M. Ilegems, J. Vac, Sci. Technol. B 16, 582 (1998).
66. Y. Kanemitsu, H. Sato, S. Nihonyanagi, and Y. Hirai, Phys. Stat. Sol. (a) 190, 755 (2002).
67. M. S. Hybertsen, Phys. Rev. Lett. 72, 1514 (1994).
68. J. Qi, A. M. Belcher, and J. M. White, Appl. Phys. Lett. 82, 2616 (2003).
69. J. H. He, W. W. Wu, S. W. Lee, L. J. Chen, Y. L. Chueh, and L. J. Chou, Appl. Phys. Lett. 86, 263109 (2005).
70. T. K. Sham, S. J. Naftel, P.-S. G. Kim, R. Sammynaiken, Y. H. Tang, I. Coulthard, A. Moewes, J. W. Freeland, Y.-F. Hu, and S. T. Lee, Phys. Rev. B 70, 045313 (2004).
71. M. Dovrat, N. Arad, X.-H. Zhang, S.-T. Lee, and A. Saar, Phys. Rev. B 75, 205343 (2007).
72. A. I. Hochbaum, D. Gargas, Y. J. Hwang, and P. Yang, Nano Lett. 9, 3550 (2009).
73. Y. Qu, L. Liao, Y. Li, H. Zhang, Y. Huang, and X. Duan, Nano Lett. 9, 4539 (2009).
74. V. A. Sivakov, F. Voigt, A. Berger, G. Bauer, and S. H. Christiansen, Phys. Rev. B 82, 125446 (2010).
75. S. S. Walavalkar, C. E. Hofmann, A. P. Homyk, M. D. Henry, H. A. Atwater, and A. Scherer, Nano Lett. 10, 4423 (2010).
76. L. Hu and G. Chen, Nano Lett. 7, 3249 (2007).
77. J. Zhu, Z. Yu, G. F. Burkhard, C.-M. Hsu, S. T. Connor, Y. Xu, Q. Wang, M. McGehee, S. Fan, and Y. Cui, Nano Lett. 9, 279 (2009).
78. Y. J. Hwang, A. Boukai, and P. Yang, Nano Lett. 9, 410 (2009).
79. T. M. Shih, A. Kurs, M. Dahlem, G. Petrich, M. Soljačič, E. Ippen, L. Kolodziejski, K. Hall, and M. Kesler, Appl. Phys. Lett.93, 131111 (2008).
80. V. Sivakov, G. Andrä, A. Gawlik, A. Berger, J. Plentz, F. Falk and S. H. Christiansen, Nano Lett. 9, 1549 (2009).
81. M. M. Adachi, M. P. Anantram, and K. S. Karim, Nano Lett. 10, 4093 (2010).
82. Z. L. Wang and J. H. Song, Science 312, 242 (2006).
83. T. J. Kempa, B. Tian, D. R. Kim, J. Hu, X. Zheng, and C. M. Lieber, Nano Lett. 8, 3456 (2008).
84. Y. Ahn, J. Dunning, and J. Park, Nano Lett. 5, 1367 (2005).
85. R. Agarwal and C. M. Lieber, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Proc. 85, 209 (2006).
86. A. R. Guichard, R. D. Kekatpure, M. L. Brongersma, and T. I.Kamins, Phys. Rev. B 78, 235422 (2008).
87. L. Cao, B. Nabet, and J. E. Spanier, Phys. Rev. Lett. 96, 157402 (2006).
88. S. H. Christiansen, M. Becker, S. Fahlbusch, J. Michler, V. Sivakov, G. Andrä, and R. Geiger, Nanotechnol. 18, 035503 (2007).
89. L. Brus, J. Phys. Chem. 98, 3575 (1994).
90. Th Stelzner, M. Pietsch, G. Andra, F. Falk, E. Ose, and S. Christiansen, Nanotechnol. 19, 295203 (2008).
91. J.-Y. Yu, S.-W. Chung, and J. R. Heath, J. Phys. Chem. B 104, 11864 (2000).
92. S. Sharma, T. I. Kamins, and R. S. Williams, Appl. Phys. A 80, 1225 (2005).
93. V. Sivakov, F. Heyroth, F. Falk, G. Andrä, and S. Christiansen, J. Cryst. Growth 300, 288 (2007).
94. S. Hofmann, C. Ducati, R. J. Neill, S. Piscanec, A. C. Ferrari, J. Geng, R. E. D. Borkowski, and J. Robertson, J. Appl. Phys. 94, 6005 (2003).
95. D. Parlevliet and J. Cornish, Pulsed PECVD for the growth of silicon nanowires. edited by C. Jagadish and G. Q. Max Lu, International Conference on Nanoscience and Nanotechnology, Brisbane, Qld, Australia, July (2006).
96. S. Bhattacharya, D. Banerjee, K. W. Adu, S. Samui, and S. Bhattacharyya, Appl. Phys. Lett. 85, 2008 (2004).
97. N. Fukata, T. Oshima, T. Tsurui, S. Ito, and K. Murakami, Sci. Technol. Adv. Mater. 6, 628 (2005).
98. K. Wang, S. Y. Chung, and D. Kim, Appl. Phys. A 79, 895 (2004).
99. J. B. Jackson, S.-G. Jun, D. Kapoor, and M. S. Miller, Integrated silicon nanowire diodes. IEEE Workshop on Microelectronics and Electron Devices, Boise, Idaho, USA, April (2006).
100. S. Christiansen, R. Schneider, R. Scholz, U. Gösele, Th. Stelzner, G. Andrä, E. Wendler, and W. Wesch, J. Appl. Phys. 100, 084323 (2006).
101. P. Gentile, T. David, F. Dhalluin, D. Buttard, N. Pauc, M. D. Hertog, P. Ferret, and T. Baron, Nanotechnology 19, 125608 (2008).
102. A. Santoni, F. J. Villacorta, and A. Rufoloni, Growth of metal-mediated Si nanowires By LPCVD, edited by G. Sen Gupta, S. C. Mukhopadhyay, and C. H. Messom, 1st International Conference on Sensing Technololy, Palmerston North, New Zealand, November (2005).
103. G. Goncher, R. Solanki, J. R. Carruthers, J. Conley, Jr., and Y. Ono, evew Delivered American T.C.Collins, On: Taylor,. Phys. Chem. C 115, 3833 (2011).
104. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley-Interscience,New York (1981).
105. S. J. Rathi, B. N. Jariwala, J. D. Beach, P. Stradins, P. C. Taylor, X. Weng, Y. Ke, J. M. Redwing, S. Agarwal, and R. T. Collins, J. Phys. Chem. C 115, 3833 (2011).
106. J. Westwater, D. P. Gosain, S. Tomiya, S. Usui, and H. Ruda, J. Vac. Sci. Technol. B 15, 554 (1997).
107. V. Schmidt, Silicon Nanowires: Synthesis, Fundamental Issues, and a First Device, Martin Luther University Halle-Wittenberg (2006).
108. X. H. Sun, N. B. Wong, C. P. Li, S. T. Lee, and T. K. Sham, J. Appl. Phys. 96, 3447 (2004).
109. Y.-J. Chen, J.-B. Li, and J.-H. Dai, Chem. Phys. Lett. 344, 450 (2001).
110. S. Sharma and M. K. Sunkara, Nanotechnol. 15, 130 (2004).
111. T. David, Systems and methods for nanowire growth. US Patent 60/857,450, May 15 (2008).
112. A. Lugstein, M. Steinmair, Y. J. Hyun, and E. Bertagnolli, Appl. Phys. Lett. 90, 023109 (2007).
113. F. Iacopi, P. M. Vereecken, M. Schaekers, M. Caymax, N. Moelans, B. Blanpain, O. Richard, C. Detavernier, and H. Griffiths, Nanotechnol. 18, 505307 (2007).
114. A. Matsuda, M. Takai, T. Nishimoto, and M. Kondo, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 78, 3 (2003).
115. I. Lombardi, A. I. Hochbaum, P. Yang, C. Carraro, and R. Maboudian, Chem. Mater. 18, 988 (2006).
116. V. G. Dubrovskii, G. E. Cirlin, I. P. Soshnikov, A. A. Tonkikh, N. V. Sibirev, Yu. B. Samsonenko, and V. M. Ustinov, Phys. Rev. B 71, 205325 (2005).
117. J. R. Morante, J. E. Carceller, A. Herms, and P. Cartujo, Appl. Phys. Lett. 41, 656 (1982).
118. T. B. Massalski (ed.), Binary Alloy Phase Diagrams, 2nd edn, Wiley, Materials Park, OH (1990).
119. T. I. Kamins, R. S. Williams, Y. Chen, Y.-L. Chang, and Y. A.Chang, App. Phys. Lett. 76, 562 (2000).
120. N. Wang, Y. Zhang, and J. Zhu, J. Mat. Sci. Lett. 20, 89 (2001).
121. J. D. Carter, Y. Qu, R. Porter, L. Hoang, D. J. Masiel, and T. Guo,Chem. Commun. 2274 (2005).
122. M. K. Sunkara, S. Sharma, and R. Miranda, Appl. Phys. Lett.79, 1546 (2001).
123. Z. H. Chen, J. S. Jie, L. B. Luo, H. Wang, C. S. Lee, and S. T. Lee, Nanotechnol. 18, 345502 (2007).
124. H. Fang, Y. Wu, J. Zhao, and J. Zhu, Nanotechnol. 17, 3768 (2006).
125. E. C. Garnett, W. Liang, and P. Yang, Adv. Mater. 19, 2946 (2007).
126. J. Arbiol, B. Kalache, P. R. i Cabarrocas, J. R. Morante, and A. F.i Morral, Nanotechnol. 18, 305606 (2007).
127. J. B. Hannon, S. Kodambaka, F. M. Ross, and R. M. Tromp, Nature 440, 69 (2006).
128. S.-W. Chung, J.-Y. Yu, and J. R. Heath, App. Phys. Lett. 76, 2068 (2000).
129. H. Y. Peng, Z. W. Pan, L. Xu, X. H. Fan, N. Wang, C.-S. Lee, and S.-T. Lee, Adv. Mater. 13, 317 (2001).
130. Y. H. Tang, Y. F. Zhang, N. Wang, C. S. Lee, X. D. Han, I. Bello, and S. T. Lee, J. Appl. Phys. 85, 7981 (1999).
131. S. T. Lee, Y. F. Zhang, N. Wang, Y. H. Tang, I. Bello, C. S. Lee, Y. W. Chung, J. Mater. Res. 14, 4503 (1999).
132. R. He and P. Yang, Nature Nanotechnol. 1, 42 (2006).
133. X. L. Feng, R. He, P. Yang, and M. L. Roukes, Nano Lett. 7, 1953 (2007).
134. A. I. Hochbaum, R. Chen, R. D. Delgado, W. Liang, E. C. Garnett, M. Najarian, A. Majumdar, and P. Yang, Nature 451, 163 (2008).
135. A. I. Boukai, Y. Bunimovich, J. Tahir-Kheli, J.-K. Yu, W. A.Goddard III, and J. R. Heath, Nature 451, 168 (2008).
136. C. B. Vining, Nature, 451, 132 (2008).
137. X. L. Feng, R. He, P. Yang, and M. L. Roukes, Nano Lett. 7, 1953 (2007).
138. R. He and P. Yang, Nature Nanotechnol. 1, 42 (2006).