Liquid phase epitaxy of InP on silicon as a template for Zn3P2 growth

III-V semiconductors are the reference materials for a wide range of optoelectronic devices due to their excellent properties, such as direct bandgap and high electron mobility. Un- fortunately, the growth of high-quality crystals relies on the use of expensive and scarce substrates, which brings a barrier to their commercialization. To expand their utilization, their integration onto a silicon (Si) wafer is crucial. Among various III-V materials, this thesis discusses indium phosphide (InP). InP is widely employed for photovoltaic devices and visible terahertz photodetectors. Additionally, it has a crystal structure that makes it an excellent substrate material for several semiconductors. An example is zinc phosphide (Zn3P2), a novel, earth-abundant semiconductor absorber that is shown to be promis- ing for photovoltaic applications. The high crystal quality of Zn3P2 is previously shown on InP substrates, which provides an excellent platform for obtaining high-crystalline films. Unfortunately, the scarcity of indium (In) and the cost of InP are poorly suited for the earth-abundance of Zn3P2. The monolithic integration of InP on Si can enable new sustainable technologies. This research investigates InP integration on Si by combining liquid phase epitaxy (LPE) and selective area growth (SAG). The growth is performed in a metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) reactor. The process has three main steps. The initial step involves surface pretreatment, aiming to achieve an oxide-free Si surface and enhance the surface diffusion of precursors. The second step focuses on the selective deposition of In droplets inside defined openings. By changing the deposition time and temperature, the morphology and the wetting of In changes. We also observe a significant effect of the geometrical constraint. The contact angles for different wetting morphologies and geometries are determined. The second step of the growth is annealing under a phosphine-rich environment. The effect of process parameters, including anneal- ing temperature and phosphine (PH3) partial pressure, is explored. Under optimized growth conditions, InP mostly adopts symmetric and asymmetric crystal morphology. The crystal faceting is extensively characterized, confirming their suitability as Zn3P2 template. The final crystal morphology is found to be strongly correlated with the In droplet morphology. A statistical investigation reveals a correlation between symmetrical In wetting and symmetrically faceted InP crystals. The composition and the morphology of both In and InP structures are extensively characterized by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM).

I semiconduttori III-V sono materiali di riferimento per una vasta gamma di disposi- tivi optoelettronici grazie alle loro eccellenti proprietà, come la banda proibita diretta e le alte mobilità degli elettroni. Sfortunatamente, la crescita di cristalli di alta qual- ità dipende dall’impiego di substrati costosi e scarsi, il che rappresenta un ostacolo alla loro commercializzazione. Per ampliarne l’utilizzo, la loro integrazione su wafers di silicio (Si) è cruciale. Tra i vari materiali III-V, questa tesi discute il fosfuro di indio (InP). L’InP è ampiamente impiegato per dispositivi fotovoltaici e fotodetettori terahertz visi- bili. Inoltre, ha una struttura cristallina che lo rende un eccellente materiale di substrato per diversi semiconduttori. Un esempio è il fosfuro di zinco (Zn3P2), un semicondut- tore abbondante sulla Terra che si mostra promettente per applicazioni fotovoltaiche. L’alta qualità cristallina di Zn3P2 è già stata dimostrata su substrati di InP, fornendo una piattaforma eccellente per ottenere film ad alta cristallinità. Purtroppo, la scarsità dell’indio (In) e il costo dell’InP si sposano poco con l’abbondanza sulla Terra di Zn3P2. L’integrazione monolitica di InP su Si può consentire nuove tecnologie sostenibili. Questa ricerca indaga sull’integrazione di InP su Si combinando epitassia a fase liquida (LPE) e crescita in area selettiva (SAG). La crescita viene eseguita in un reattore di epitassia in fase vapore metalorganico (MOVPE). Il processo ha tre fasi principali. La fase iniziale prevede il pretrattamento della superficie, mirato a ottenere una superficie di Si priva di ossidi e migliorare la diffusione superficiale dei precursori. La seconda fase si concentra sulla deposizione selettiva di In liquido all’interno di aperture definite. Modificando il tempo e la temperatura di deposizione, cambiano la morfologia e la bagnabilità dell’In. Osserviamo anche un effetto significativo del vincolo geometrico. Verranno determinati gli angoli di contatto per diverse morfologie di bagnamento e geometrie. La seconda fase della crescita prevede la cristallizzazione in un ambiente ricco di fosfina. Si esplorano gli effetti dei parametri del processo, inclusa la temperatura e la pressione parziale di fos- fina (PH3). In condizioni di crescita ottimizzate, l’InP adotta una morfologia cristallina simmetrica e asimmetrica. La facettatura cristallina è ampiamente caratterizzata, confer- mandone l’adeguatezza come piattaforma per Zn3P2. Si osserva che la morfologia finale del cristallo è fortemente correlata alla morfologia dell’In liquido. Un’indagine statistica rivela una correlazione tra il bagnamento simmetrico di In e i cristalli di InP facettati sim- metricamente. La composizione e la morfologia di entrambe le strutture di In e InP sono ampiamente caratterizzate mediante microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a scansione (SEM).