Pt電極間での誘電泳動配向によって形成されたシリコンナノワイヤベースのデバイスに対する非対称局所ジュール加熱の影響

背景

一次元（1D）半導体ナノワイヤー（NW）は、表面積対体積比が高く、量子閉じ込め効果があり、結晶品質が高いため、大きな注目を集めています。調整可能な電気的および光学的特性により、Si NWは太陽電池[1]、発光ダイオード[2]、および光検出器[3]にうまく組み込まれています。

Si NWについてはいくつかの製造技術が報告されており、これらはボトムアップ方式とトップダウン方式の2つのカテゴリに分類できます。ボトムアップ法では、原子と分子を、気液固（VLS）技術[4]、分子線エピタキシー（MBE）[5]、またはレーザーアブレーション[6]を利用したナノ構造のビルディングブロックとして使用できます。深掘り反応性イオンエッチング（DRIE）[7、8]および金属支援化学エッチング（MACE）[9、10]を含むトップダウン法が、バルク材料をダウンスケーリングすることによってナノ構造に導入されました。最近、MACEとナノスフェアリソグラフィー（NSL）を組み合わせることにより、同じ寸法の大面積Si NWアレイの簡単でハイスループットな方法が提案されました[11、12]。

誘電泳動（DEP）は、金属[13]、金属酸化物[14,15,16,17,18,19]、Si [20,21,22]、ケイ化物[23]などのNWを整列させるために適用される一般的に使用される方法の1つです。 ]、およびIII-V半導体[24]統合デバイス用のNW。通常は金属-半導体-金属構造でした。 DEPプロセスでは、誘電体NWは、通常、NWが不均一な交流（AC）電界にさらされるときに、誘導された双極子を介してDEP力によって加えられるため、電極間で正確に整列できます。 DEP法で製造されたデバイスは、その電気的特性について広範囲に調査され、論理ゲート[21]やセンサー[14、16、17、18、19]などの多くのアプリケーションに使用されています。ただし、整流電流-電圧（I-V）特性を備えたこれらのデバイスは、DEPアライメントで形成される可能性があります。 Harnack etal。 [14]は、ZnO NWベースのデバイスの整流挙動の要因は、ウルツ鉱構造を持つZnOナノ結晶の双極子モーメントまたは整列したNWの両端の異なるショットキーバリア高さに起因する可能性があることを提案しました。王ら。 [15]はさらに、この場合の整流挙動の原因は、DEPアライメントの両側で異なる程度のアニーリングで生成された非対称のZnO NW / Au接点である可能性があることを特定しました。

統合デバイスにSiNWを適用するには、NW /金属接点の役割とその電気的特性への影響を理解することが不可欠です。ここでは、直流（DC）DEPによるSi NWベースのデバイスの製造を示し、均質な単結晶SiNWとPt電極との接触を体系的に調査します。これらのデバイスの電気的特性を調査した結果、それらのI-V特性が整流動作と独自の光感知特性を示していることがわかりました。

実験的

Si NWの製造方法、MACEとNSLの組み合わせについては、他の場所で報告されており[11、12]、抵抗率が1〜10Ωcmのn型Si（100）が1×1cm ^{2 ピース。標準のRadioCorporation of America（RCA）の手順を使用して基板を洗浄し、H ₂ の混合物である沸騰ピラニア溶液に浸した後に親水性にしました。 O ₂ H ₂ を使用 SO ₄ 1：3の比率で、10分間。平均直径220nmのポリスチレン（PS）球の最密単分子層が、修正されたディップコーティング法[25]によって基板上に形成され、その後、球のサイズがO ₂ 減少しました。 プラズマ。パターン化された基板上に、厚さ20nmのスパッタAg薄膜が堆積されました。サンプルは、HF、H ₂ の混合溶液によってエッチングされました。 O ₂ 、および脱イオン水（HF =5MおよびH ₂ O ₂ =0.176 M）25°Cで15分間。残留PS球とAg薄膜をテトラヒドロフラン（THF）とHNO ₃ で除去した後、大面積の秩序あるSiNWアレイが得られました。 それぞれソリューション。合成されたままの製品は、電界放出型走査電子顕微鏡（FESEM、JEOL、JSM-6700F）および高溶液透過型電子顕微鏡（HRTEM、JEOL、JEM-2100F）によって特徴づけられました。}

Si NWの電気輸送および光感知特性を研究するために、SiNWベースのデバイスを次のように製造しました。電極構造は、従来のリソグラフィーを使用して、高濃度にドープされたn型Si（100）基板（0.001〜0.006Ωcm）上に厚さ360nmの酸化シリコンで製造されました。電極材料は、上部に熱蒸着されたPt（40 nm）/チタン（15 nm）でした。電極間のギャップは約2μmです。エッチングされたままのSiNWアレイは、5分間の超音波処理によって基板から除去され、イソプロピルアルコール（IPA）溶液に分散されました。図1に示すように、Si NW懸濁液の液滴が、DC電界によって印加された事前定義された金属電極の上に滴下されました。位置合わせプロセスでは、図1に示すように、ソース電極をグランドレベルに接続し、ドレイン電極を正または負にバイアスしました。

Pt電極間のDC-DEPによるSiNWアライメントの概略図。 a に示すように、ドレイン電極は正と負にバイアスされていました。 および b 、 それぞれ。ソース電極はアースレベルに接続されました

Si NWベースのデバイスの電気輸送特性は、システムソースメーター（Keithley 2612A）を使用してプローブステーションによって実行されました。強度が825mW / cm ² の広帯域白色光 アークからのHg-Xeランプがデバイスに垂直に表示され、対応する光応答特性が記録されました。

結果と考察

図2a、bは、それぞれ、NSLと組み合わせたMACEを介したSiNWアレイの平面図と断面SEM画像を示しています。均一な形状のSiNWは、直径が150〜200 nm、長さが5〜6umです。図2cは、個々のSi NWのTEM画像を示しています。これは、単結晶構造であり、図2dに示す明確な格子画像によって確認された[100]の優先的なエッチング方向を持っています。

a トップビューと b NSLと組み合わせたMACEによって製造されたSiNWアレイの断面SEM画像。 c 合成されたままのSiNWのTEM画像。 d 合成されたままのSiNWの原子分解能TEM画像は、 c の赤い四角に対応します。 。挿入図はSiNWのSADパターンです

Si NWの電気的輸送を研究するために、金属-ナノワイヤ-金属構造のシリコンナノワイヤベースのデバイスを、DEPアラインメントプロセスでドレイン電極に+ 0.5VDCを印加して製造しました。図3に示すように、Pt電極全体のSi NWアライメントの上面図は、SiNWが互いに平行であるSEM画像からはっきりと見ることができます。整列したSiNWの密度は、IPA溶液中のNWの濃度によって制御できます。デバイスの電気的特性を測定するために、2つの異なる方法が使用されました。方法1の測定では、正から負にスイープしてドレイン電極に電圧を印加したときに、I-V曲線を測定しました。方法2の測定では、電圧が負から正にスイープすることによってドレイン電極に印加されたときに、I-V曲線が測定されました。驚いたことに、デバイスには整流動作があり、整流の方向は、追加ファイル1：図S1に示すように、電圧掃引方向によって決定できます。この現象を理解するために、デバイスのドレイン電極にさまざまな範囲の掃引電圧を印加して、I-V曲線を測定しました。掃引速度を図4に示します。図5aは、電圧が+ 1〜-1 V、+ 2〜-2 V、および+ 3〜-に掃引することによってドレイン電極に印加されたときにIV曲線が測定されたことを示しています。図5aの挿入図に示すように、順番に3V。デバイスが広い電圧範囲で測定されたため、整流動作がより明確に示されます。図5bでは、+ 1から-1Vに2回スイープして電圧をドレイン電極に印加したときに、I-Vの赤い曲線がさらに測定されました。順方向電流は0.75Vで9.2nAでした。逆電流は約0.044nAでした。オン/オフ電流比は約200です。オン/オフで図5aに示すのと同じ電圧範囲で以前に測定された、IVの黒い曲線と比較して、デバイスがより整流性になっていることがわかりました。流動比率7.7。逆の整流IV曲線は、電圧がドレイン電極に印加されたときに、図に示すように、-0.5から+ 0.5 V、-1から+ 1 V、および-2から+ 2Vの順にスイープすることによっても生成できます。図5cの挿入図。また、図5cに示すように、より広い掃引電圧範囲でより明白な整流動作を示します。図5dでは、電圧がドレイン電極に2回目に-0.5から+ 0.5 Vまでスイープして印加されたときに、I-Vの赤い曲線がさらに測定されました。非整流動作から整流動作への移行は、図5cに示されているのと同じ電圧範囲で以前に測定されたI-V黒曲線と比較することで観察できます。上記のI-V特性曲線は、Si NWベースのデバイスの整流動作が、DEPアライメントではなく電気測定の過程で生成されたことを示しています。さらに、整流の方向は、電圧掃引方向によって決定できることもわかった。非整流から整流への移行後、デバイスは、電圧掃引方向に関係なく、同じ整流方向を持っていました。

Pt電極間で平行に整列したSiNWのSEM画像。 + 0.5VのDC電圧がDC-DEPアライメントのドレインに印加されました

負から正のバイアス（黒線）および正から負のバイアス（赤線）にスイープすることによるドレイン電極の電圧掃引速度

Pt電極間の並列SiNWの電気的特性。 a 挿入図に示すように、正のバイアスから負のバイアスにスイープすることによってドレイン電極に電圧を印加したときの並列SiNWのI-V曲線。 Pt電極間に24の並列NWがあります。 b + 1から-1Vまでの最初のスイープ（黒い線）と2番目のスイープ（赤い線）で測定されたI-V曲線。 c 挿入図に示すように、負のバイアスから正のバイアスにスイープすることによってドレイン電極に電圧を印加したときの並列SiNWのI-V曲線。 Pt電極間に18個の並列NWがあります。 d − 0.5〜 + 0.5 V

の最初のスイープ（黒い線）と2番目のスイープ（赤い線）で測定されたI-V曲線

さらに、図5a、cに示すように、それぞれ+3から-3Vおよび-2から+2 Vにスイープすることによってドレイン電極に電圧を印加すると、ジグザグのようなI-V曲線がはっきりとわかります。この現象は、非対称ジュール熱効果によって説明できます。これは、Pt電極に印加される電圧が増加するにつれてSiNWを流れる電流に起因します。非対称ジュール加熱効果は、電極間の温度分布が不均一であるために発生し、アノード領域の温度はカソード領域よりも高くなります[26]。 I-V曲線測定の場合、3 Vの印加電圧での電流は、図5および追加ファイル1：図S1に示すように、約数から100ナノアンペアであり、参考文献の電流よりもはるかに小さくなっています。 [26]。ただし、SiNWの直径は約100nmであり、参考文献のデバイスのチャネルの幅よりもはるかに小さくなっています。 [26]。さらに、ナノワイヤはDEP配向法によって電極に吸着されたばかりであるため、接触面積はナノワイヤの断面よりもはるかに小さい可能性があります。したがって、NW電極接点の電流密度は、ジュール熱を引き起こすのに十分な高さである可能性があります。これは、それぞれ図6a、bに示すように、+ 3および-3VDCがSiNWのDEPアライメント用のドレイン電極に印加された後にも見られます。両方の図は、アノード領域がカソード領域と比較して溶融によってひどく破壊されたことを示しています。

a + 3 VDC電圧をドレイン電極に印加してSiNWアライメントを行った後の、SiNWベースのデバイスのSEM画像。 b SiNWアライメント用のドレイン電極に-3VDC電圧を印加した後のSiNWベースのデバイスのSEM画像。白い破線は、DEPアライメントプロセス前の電極エッジを示しています

デバイスのI-V曲線を還元性雰囲気（H ₂ / Ar）、追加ファイル2：図S2（a）に示すように、広い電圧範囲（− 3〜3 V）で掃引しても整流特性は得られませんでした。 I-V曲線は対称でほぼ線形であり、これはナノワイヤと2つの電極間の界面にある小さな障壁を示しています。ただし、Ptの仕事関数（〜6.1 eV）はn型Si（〜4.15 eV）よりも大きいため、Ptとn-Siは理論的にはPt / n型Si接点でショットキー障壁を形成できます。この研究では、ナノワイヤはDEPアラインメント法によって電極に吸着するだけです。したがって、バリア高さの変化は、Si表面へのガス吸着によるものと考えられます。広い電圧範囲でスイープした後、追加ファイル2：図S2（b）に示すように、I-V曲線の傾きが増加しました。これは、還元ガスでの大きな電圧範囲のスイープ測定により、両方のNW電極接点の抵抗を減らすことができることを示しています。ただし、O ₂ を含む空気 およびH ₂ Oは酸化性雰囲気です。空気中では、Siの酸化速度は低温に比べて高温で高くなります。したがって、空気中の広い電圧範囲の掃引測定の場合、アノード領域でのバリア高さの増加は、薄い酸化されたSiO _{x の形成によるものであると推測できます。} 電子トラップサイトを示す界面の層。

図7は、非対称ジュール加熱処理の前後のSiNWベースのデバイスの概略エネルギーバンド図を示しています。最初に、Ptとn-Siは、DEPアライメント後、NWの両端に小さな等しいバリア高さを形成します。正から負（方法1）または負から正のバイアス（方法2）でスイープしてドレイン電極に電圧を印加すると、非対称ジュールにより、高温アノード側のバリア高さが同時に調整されます。加熱効果。つまり、図5に示す整流I-V特性から推測すると、バリアの高さが高くなり、デバイスの整流動作が支配的になります。

DC-DEPアライメント後のn型Si / Pt接点の概略エネルギーバンド図（中央上部）。方法1（左）では正から負のバイアス、方法2（右）では負から正のバイアスにスイープすることで電圧がドレイン電極に印加されると、デバイスは非対称ジュール加熱プロセスを経ました。

この場合の整流SiNWベースのデバイスの光検知特性を調査するために、強度825 mW / cm ² の広帯域白色光 図8aに示すように、対応する光応答特性が記録されている間、デバイスに垂直に表示されました。図8bは、暗い（黒い曲線）および広帯域の白色光照射（赤い曲線）下でのこのデバイスのI-V曲線を示しています。これは、光電流が誘導される可能性があり、デバイスが図8bの挿入図に示されている逆I-V特性を示したときに、より高い感度が達成されたことを示しています。デバイスがオンとオフを切り替えることによって白色光にさらされたときの時間依存の光応答挙動を調査した。図8cに示すように、デバイスが順方向バイアスモードで+ 0.75 Vの白色光励起下にある場合、電流は15秒以内に20から35 nAに増加し、75％しか改善されません。白色光を消すと、電流は30秒以内に初期値に減少しました。一方、図8dに示すように、デバイスが逆バイアスモードで-0.75 Vの白色光励起下にある場合、電流は64ミリ秒以内に40から430 pAに急激に増加し、これは最大13倍になります。順方向バイアスモードのデバイスよりも大きい。さらに、白色光が消えた瞬間にわずか48ミリ秒以内に電流が飽和状態から初期値に減少するため、より高い回復率が観察されます。

a 強度825mW / cm ² の白色光照明下でのSiNWベースのセンサーの概略図 。 b 暗および白色光照明下でのSiNWベースのセンサーのI-V曲線。挿入図は、対応するI-Vプロパティを片対数スケールで示しています。 c オンとオフを切り替えることにより、白色光照明下での順方向バイアスモードでの+ 0.75VでのSiNWベースのセンサーの時間分解光応答。 d オンとオフを切り替えることにより、白色光照明下で逆バイアスモードの-0.75VでのSiNWベースのセンサーの時間分解光応答。準備した装置は、図5a、b

の電気輸送特性測定を行うためのものと同じでした。

光応答性能に関して、これらの上記の結果の不一致は次のように説明することができます。デバイスが順方向バイアスモードの場合、空乏領域の幅が減少し、電流の流れが強化されるため、白色光に対する感度が低下します。ただし、逆バイアスモードのデバイスは、対照的に、強いビルトイン電界が存在するより大きな空乏領域を持っています。光生成された電子と正孔は効率的に分離され、白色光照射下での電子正孔再結合率を低下させるため、自由キャリア密度が急激に増加します。したがって、整流装置は高い応答率特性を持っています。しかし、以前の研究[27、28]では、一方のオーミック接触電極ともう一方のショットキー接触電極を備えた整流デバイスは、さまざまな電極材料を選択することによって製造されていました。この研究では、簡単な製造プロセスが使用されました。誘電泳動アライメントによって形成されたNWデバイスの整流動作は、電気測定プロセスでの非対称ジュール加熱によって得られました。

結論

要約すると、Si NWベースのデバイスは、DC-DEP法を使用してPt電極全体に単結晶SiNWを整列させることによって製造されました。これらのデバイスの整流I-V特性を取得でき、整流の方向は電圧掃引方向によって決定できます。この現象は、電気測定プロセスで生成される非対称ジュール熱効果に関連している可能性があります。空乏領域の強力なビルトイン電界による効率的な電子正孔分離により、逆バイアスモードの整流デバイスで高速かつ高い光応答を実現できます。この整流SiNWベースのデバイスは、光検出器や、論理ゲートやセンサーなどの他のアプリケーションに使用できる可能性があります。