硼參雜矽奈米線的合成

我們是以化學氣相沉積 (chemical vapor deposition, CVD) 的方式，並以金奈 米粒子作為催化劑，經由氣相-液相-固相 (vapor-liquid-solid, VLS) 的生長機制合 成矽奈米線，VLS 生長機制最早在 1964 年由 Wagner 所提出[54]。

VLS 生長機制分為三個階段 (圖 2- 1)，首先 ，將金奈米粒子加熱到金與矽 的共熔溫度 (363 ℃) 以上，通入反應氣體 SiH4 後，SiH4 會吸附到金的表面，

並且受到金的催化而分解成矽原子和氫氣，此時矽原子溶入金奈米粒子形成液態 合金 (liquid alloy)。在第二階段中，持續通入反應氣體，矽原子繼續溶入金粒子 中，當達到過飽和 (supersaturation) 狀態，便有矽原子開始析出，此為成核 (nucleation) 的過程。成核後，持續通入 SiH4，會使得矽原子繼續溶入金粒子中，

接著在成核的固/液介面便會持續生長出單晶矽奈米線。在 CVD-VLS 生長過程 中，矽奈米線的直徑取決於金奈米粒子的直經大小。

合成矽奈米線時，我們會同時通入 diboran (B2H6) 氣體，以得到硼摻雜的矽 奈米線，並且藉由調整通入 B2H6 的流量，改變摻雜的密度，使矽奈米線的性質 達到最佳化。

圖 2- 1 (A) 以 VLS 機制合成矽奈米線示意圖。(B) 矽與金的二元相圖[55]。

硼參雜矽奈米線之合成步驟 (圖 2- 2)：

1. 將四吋矽晶圓切割成適當大小 (大約 3 cm x 1.5 cm) 的破片，依序以丙酮-異 丙醇-去離子水沖洗破片，再以氮氣吹乾。

2. 利用氧氣電漿 (100 W, 200 s) 清除破片表面的有機雜質。

3. 以微量吸管吸取 0.1% poly-L-lysine (w/v, Sigma) 滴在破片上，使溶液能完全 覆蓋表面，靜置 2 min，以去離子水清洗破片後，用氮氣吹乾表面。此時破片 表面因 poly-L-lysine 而為正電性。

4. 以微量吸管吸取自行合成之金奈米粒子水溶液，將其滴上並且完全覆蓋於破 片表面，靜置 10 s 後，以去離子水沖洗破片，再以氮氣吹乾表面。此時，以 靜電作用力將具有負電性的金奈米粒子吸附在表面有 poly-L-lysine 的破片 上。

5. 以氧氣電漿 (100 W, 5 min) 清潔修飾金奈米粒子的破片表面。

6. 將破片送入石英管，放置於高溫爐中心。

7. 開啟 dry pump 抽真空，將管內的氣體抽除乾淨，待壓力值下降到 0.02 torr 後，切換以 diffusion pump 抽真空 1 hr。

8. 流入 20 sccm 的高純度 Ar 氣體，設定 15 min 升溫至 460 ℃。

9. 當溫度達到穩定的 460 ℃ 時，通入 SiH4 (6 sccm) 和 B2H6 (12 sccm)，並調 整電動閥門，設定總壓為 25 torr。

10. 當所有氣體流量與石英管內壓力值穩定後，開始計時，合成時間約 15 min。

11. 合成時間完畢後，關閉 SiH4 和 B2H6 的閥門，持續通入 Ar 氣體，並以 pump 抽去管內的反應氣體，關閉高溫爐使石英管降溫。

12. 待溫度下降 70 ℃ 以下，以 Ar 氣體破真空並取出破片。

13. 以光學顯微鏡檢查矽奈米線的生長結果。

圖 2- 2 CVD 合成系統示意圖。使用 Ar、SiH4 和 B2H6 等三種氣體，以質量流 量控制器 (mass flow controller, MFC) 控制氣體流量，反應氣體流入置於高溫爐 (furnace) 中的石英管 (quarz tube) 進行反應，pump 抽除管內氣體。