Эффекты асимметричного локального джоулева нагрева на устройствах на основе кремниевых нанопроволок, сформированные диэлектрофорезом Выравнивание по платиновым электродам

Фон

Одномерные (1D) полупроводниковые нанопроволоки (ННК) привлекли большое внимание из-за их высокого отношения поверхности к объему, эффекта квантового ограничения и высокого качества кристаллов. Благодаря настраиваемым электрическим и оптическим свойствам Si ННК успешно используются в солнечных элементах [1], светодиодах [2] и фотодетекторах [3].

Сообщалось о нескольких методах изготовления Si ННК, которые можно разделить на две категории:восходящие и нисходящие методы. В восходящих методах атомы и молекулы могут использоваться в качестве строительных блоков для наноструктур с использованием техники пар-жидкость-твердое тело (VLS) [4], молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) [5] или лазерной абляции [6]. Нисходящие методы, включая глубокое реактивно-ионное травление (DRIE) [7, 8] и химическое травление с использованием металла (MACE) [9, 10], были внедрены для наноструктур путем уменьшения размеров объемных материалов. Недавно был предложен простой и высокопроизводительный метод для массивов Si NW с большой площадью и тех же размеров путем объединения MACE с наносферной литографией (NSL) [11, 12].

Диэлектрофорез (DEP) - один из широко используемых методов, применяемых для выравнивания ННК, таких как металл [13], оксиды металлов [14,15,16,17,18,19], Si [20,21,22], силицид [23]. ], а также полупроводниковые AIIIBV [24] ННК для интегральных устройств, которые обычно находились в структурах металл-полупроводник-металл. В процессе DEP на диэлектрические ННК действуют силы DEP через индуцированные диполи, когда ННК обычно подвергаются воздействию неоднородного электрического поля переменного тока (AC) и, следовательно, могут точно выравниваться по электродам. Устройства, изготовленные методом DEP, были тщательно исследованы на предмет их электрических свойств и использовались во многих приложениях, таких как логические вентили [21] и датчики [14, 16,17,18,19]. Однако эти устройства с выпрямляющими вольт-амперными (ВАХ) характеристиками, возможно, будут сформированы при выравнивании DEP. Harnack et al. [14] предположили, что факторы выпрямляющего поведения в устройстве на основе ZnO NW можно отнести к дипольному моменту в нанокристаллах ZnO со структурой вюрцита или разной высоте барьера Шоттки на обоих концах ориентированной NW. Wang et al. [15] далее указали, что причиной выпрямляющего поведения в этом случае могут быть асимметричные контакты ZnO NW / Au, которые были созданы с разной степенью отжига на двух сторонах при выравнивании DEP.

Чтобы применить Si NW к интегрированным устройствам, важно понимать роль контактов NW / металл и их влияние на электрические свойства. Здесь мы демонстрируем создание устройств на основе Si ННК с помощью DEP постоянного тока (DC) и систематически исследуем контакты однородных монокристаллизованных Si ННК с Pt-электродами. После исследования электрических свойств этих устройств мы обнаружили, что их ВАХ демонстрируют выпрямляющие свойства и уникальные светочувствительные свойства.

Экспериментальный

Для метода изготовления Si ННК, MACE в сочетании с NSL, описанного в других работах [11, 12], Si (100) n-типа с удельным сопротивлением от 1 до 10 Ом · см был разрезан на 1 × 1 см ² куски. Подложки очищали с использованием стандартных процедур Radio Corporation of America (RCA) и делали гидрофильными после погружения в кипящий раствор Пираньи, смесь H ₂ О ₂ с H ₂ SO ₄ в соотношении 1:3, в течение 10 мин. Плотноупакованный монослой сфер полистирола (ПС) со средним диаметром 220 нм был сформирован на подложках с помощью модифицированного метода нанесения покрытия погружением [25] с последующим уменьшением размера сфер на O ₂ плазма. На узорчатые подложки наносили напыленную тонкую пленку Ag толщиной 20 нм. Образцы травились смешанным раствором HF, H ₂ . О ₂ , и деионизированная вода (HF =5 M и H ₂ О ₂ =0,176 M) при 25 ° C в течение 15 мин. Упорядоченные массивы Si NW с большой площадью были получены после удаления остаточных сфер PS и тонкой пленки Ag тетрагидрофураном (THF) и HNO ₃ решение соответственно. Продукты после синтеза были охарактеризованы с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (FESEM, JEOL, JSM-6700F) и просвечивающего электронного микроскопа с высоким содержанием раствора (HRTEM, JEOL, JEM-2100F).

Для исследования электротранспортных и светочувствительных свойств Si ННК были изготовлены устройства на основе Si ННК следующим образом. Электродные структуры были изготовлены на высоколегированной подложке Si (100) n-типа (0,001–0,006 Ом · см) с оксидом Si толщиной 360 нм методом традиционной литографии. Материал электрода был термически испарен поверх Pt (40 нм) / титана (15 нм). Зазор между электродами составляет около 2 мкм. Травленные массивы Si ННК были удалены с подложки с помощью обработки ультразвуком в течение 5 минут и диспергированы в растворе изопропилового спирта (IPA). Как показано на рис. 1, капля суспензии Si ННК падала на заранее определенные металлические электроды, на которые прикладывалось постоянное электрическое поле. В процессе юстировки электрод истока был подключен к уровню земли, а электрод стока был смещен положительно или отрицательно, как показано на рис. 1.

Схема выравнивания Si NW с помощью DC-DEP на платиновых электродах. Электрод стока был смещен положительно и отрицательно, как показано на a . и b , соответственно. Электрод истока был подключен к уровню земли

Электротранспортные свойства устройств на основе Si NW определялись на зондовой станции с использованием системного измерителя источника (Keithley 2612A). Широкополосный белый свет с интенсивностью 825 мВт / см ² от дуговой лампы Hg-Xe вертикально отображалась на приборах, и были записаны соответствующие характеристики фотоотклика.

Результаты и обсуждение

На рис. 2a, b показаны вид сверху и поперечное сечение SEM-массивов массивов Si NW через MACE в сочетании с NSL, соответственно. Si ННК с однородной геометрией имеют диаметр от 150 до 200 нм и длину от 5 до 6 мкм. На рис. 2c показано ПЭМ-изображение отдельной Si ННК, которая представляет собой монокристаллическую структуру и имеет преимущественное направление травления [100], подтвержденное четким изображением решетки, показанным на рис. 2d.

а Вид сверху и б поперечные сечения SEM-изображений массивов Si NW, изготовленных MACE в сочетании с NSL. c ПЭМ изображение синтезированной Si ННК. г Электронно-микроскопическое изображение с атомным разрешением Si NW в исходном состоянии соответствует красному квадрату на c . На вставке - паттерны SAD Si NW

Для изучения электрического транспорта Si ННК были изготовлены устройства на основе кремниевых нанопроволок в структурах металл-нанопроволока-металл, когда на электрод стока в процессе DEP-выравнивания подавалось постоянное напряжение +0,5 В. Вид сверху совмещения Si ННК поперек платиновых электродов можно ясно увидеть на СЭМ-изображении, как показано на рис. 3, где Si ННК параллельны друг другу. Плотностью ориентированных Si ННК можно управлять через концентрацию ННК в растворе IPA. Для измерения электрических свойств устройств использовались два разных метода. Для измерения методом 1 были измерены ВАХ, когда напряжение прикладывалось к электроду стока, изменяясь от положительного к отрицательному. Для измерения методом 2 были измерены ВАХ, когда напряжение было приложено к электроду стока, переходя от отрицательного к положительному. Удивительно, но эти устройства обладают способностью к выпрямлению, и направление выпрямления может определяться направлением развертки напряжения, как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S1. Чтобы понять это явление, кривые ВАХ были измерены путем приложения различных диапазонов напряжения развертки к электроду стока устройств. Скорость развертки показана на рис. 4. На рис. 5а показано, что ВАХ были измерены, когда напряжение было приложено к электроду стока, изменяясь от + 1 до - 1 В, от + 2 до - 2 В и от + 3 до - 3 В последовательно, как показано на вставке к рис. 5а. Он демонстрирует более очевидное поведение при выпрямлении, поскольку устройство измерялось в широком диапазоне напряжений. На рис. 5b красная кривая ВАХ была дополнительно измерена, когда напряжение было приложено к электроду стока путем качания от +1 до -1 В во второй раз. Прямой ток составлял 9,2 нА при 0,75 В; обратный ток был около 0,044 нА. Отношение между включенным и выключенным током составляет около 200. Было обнаружено, что устройство стало более выпрямляющим по сравнению с черной кривой ВАХ, которая была ранее измерена в том же диапазоне напряжений, что и на рис. 5a, с двухфазным током. Коэффициент текущей ликвидности 7,7. Противоположная ВАХ выпрямления может быть также получена, когда напряжение было приложено к электроду стока, последовательно изменяясь от - 0,5 до + 0,5 В, от - 1 до +1 В и от - 2 до +2 В, как показано на вставка к рис. 5в. Он также показывает более очевидное поведение выпрямления в более широком диапазоне напряжения развертки, показанном на рис. 5c. На рис. 5d красная кривая ВАХ была дополнительно измерена, когда напряжение было приложено к электроду стока путем изменения от -0,5 до + 0,5 В во второй раз. Переход от непрямого к выпрямляющему поведению можно наблюдать по сравнению с черной кривой ВАХ, которая была ранее измерена в том же диапазоне напряжений, что и на рис. 5c. Приведенные выше кривые ВАХ предполагают, что поведение выпрямления в устройствах на основе Si NW было получено в процессе электрических измерений, а не выравнивания DEP. Кроме того, было также обнаружено, что направление выпрямления может определяться направлением развертки напряжения. После перехода от невыпрямления к выпрямлению, устройство имело одно и то же направление выпрямления независимо от направления развертки напряжения.

СЭМ-изображение параллельно ориентированных Si ННК на платиновых электродах. Напряжение +0,5 В постоянного тока было приложено к стоку при выравнивании DC-DEP

Скорость изменения напряжения для электрода стока от отрицательного к положительному смещению (черная линия) и от положительного к отрицательному смещению (красная линия)

Электрические свойства параллельных Si ННК на платиновых электродах. а ВАХ параллельных Si ННК, когда напряжение было приложено к электроду стока путем качания от положительного к отрицательному смещению, как показано на вставке. На платиновых электродах имеется 24 параллельных НП. б Кривые I-V, измеренные при первой развертке (черная линия) и второй развертке (красная линия) от +1 до -1 В. c ВАХ параллельных Si ННК при подаче напряжения на электрод стока путем изменения от отрицательного к положительному смещению, как показано на вставке. На платиновых электродах имеется 18 параллельных НП. г Кривые I-V, измеренные при первой развертке (черная линия) и второй развертке (красная линия) от - 0,5 до + 0,5 В

Кроме того, зигзагообразную кривую ВАХ можно четко увидеть, когда напряжение было приложено к электроду стока путем изменения от + 3 до - 3 В и от - 2 до +2 В, как показано на рис. 5a, c, соответственно. Это явление можно объяснить эффектами асимметричного джоулева нагрева, который возникает из-за электрических токов, протекающих через Si ННК, когда напряжение, прикладываемое к Pt-электродам, увеличивается. Эффекты асимметричного джоулева нагрева возникают из-за неравномерного распределения температуры между электродами, а температура в анодной области выше, чем в катодной [26]. Для измерения ВАХ ток при приложенном напряжении 3 В составляет от нескольких до сотен наноампер, как показано на рис. 5 и в дополнительном файле 1:рис. S1, что намного меньше, чем на рис. [26]. Однако диаметр Si ННК составляет около 100 нм, что намного меньше ширины канала устройства в [4]. [26]. Кроме того, поскольку нанопроволоки просто адсорбируются на электродах с помощью метода выравнивания DEP, площадь контакта может быть намного меньше поперечного сечения нанопроволок. Таким образом, плотность тока на контактах NW-электрода может быть достаточно высокой, чтобы вызвать джоулев нагрев. Это также можно увидеть после того, как на электрод стока были поданы +3 и -3 В постоянного тока для выравнивания Si NW DEP, как показано на рис. 6a, b, соответственно. Оба рисунка показывают, что анодные области были сильно разрушены плавлением по сравнению с катодными областями.

а СЭМ-изображение устройства на основе Si ННК после подачи напряжения + 3 В постоянного тока на электрод стока для выравнивания Si ННК. б СЭМ-изображение устройства на основе Si ННК после подачи напряжения - 3 В постоянного тока на электрод стока для совмещения Si ННК. Белые пунктирные линии показывают край электрода до процесса выравнивания DEP

Когда ВАХ устройства были измерены в восстановительной атмосфере (H ₂ / Ar), выпрямляющие свойства не были получены при качании в большом диапазоне напряжений (от -3 до 3 В), как показано в Дополнительном файле 2:Рисунок S2 (a). Кривая ВАХ симметрична и близка к линейной, что указывает на небольшой барьер на границе раздела между нанопроволокой и двумя электродами. Однако Pt и n-Si теоретически могут образовывать барьер Шоттки на контакте Si Pt / n-типа, поскольку работа выхода Pt (~ 6,1 эВ) больше, чем у Si n-типа (~ 4,15 эВ). В этом исследовании нанопроволоки просто адсорбируются на электродах с помощью метода выравнивания DEP. Таким образом, изменение высоты барьера может быть связано с адсорбцией газа на поверхности Si. После развертки в большом диапазоне напряжений наклон кривой ВАХ увеличился, как показано в Дополнительном файле 2:Рисунок S2 (b), который показывает, что измерение с разверткой большого диапазона напряжений в восстановительном газе может снизить сопротивление на обоих контактах NW-электрода. Однако воздух, содержащий O ₂ и H ₂ O - окислительная атмосфера. На воздухе скорость окисления Si выше при высокой температуре по сравнению с таковой при низкой температуре. Таким образом, мы можем сделать вывод, что для измерения с широким диапазоном напряжений в воздухе увеличение высоты барьера в анодной области происходит из-за образования тонкого окисленного SiO _x слой на границе раздела, который показывает места захвата электронов.

На рисунке 7 показаны схематические диаграммы энергетических зон для устройства на основе Si NW до и после обработки асимметричным джоулевым нагревом. Первоначально Pt и n-Si образуют небольшие барьеры одинаковой высоты на обоих концах ННК после выравнивания DEP. Когда напряжение прикладывалось к электроду стока путем качания от положительного к отрицательному (в методе 1) или от отрицательного к положительному смещению (в методе 2), высота барьера на высокотемпературной стороне анода настраивалась одновременно из-за асимметричного джоулева нагревательные эффекты. Другими словами, высота барьера будет увеличена и будет доминировать в выпрямляющем поведении устройства, как мы делаем вывод из выпрямляющих ВАХ, показанных на рис. 5.

Схематические диаграммы энергетических зон для контактов Si / Pt n-типа после выравнивания DC-DEP (вверху в центре). Устройство прошло через процесс асимметричного джоулева нагрева, когда напряжение было приложено к электроду стока путем перехода от положительного к отрицательному смещению в методе 1 (слева) или от отрицательного к положительному смещению в методе 2 (справа)

Для исследования светочувствительных свойств выпрямительного устройства на основе Si NW в этом случае был использован широкополосный белый свет с интенсивностью 825 мВт / см ² был показан на устройстве вертикально, в то время как соответствующие характеристики фотоотклика были записаны, как показано на рис. 8а. На рисунке 8b показаны ВАХ этого устройства при облучении темным (черная кривая) и широкополосным белым светом (красная кривая). Это показывает, что фототок может быть индуцирован, и более высокая чувствительность была достигнута, когда устройство показало обратные ВАХ, показанные на вставке к рис. 8b. Поведение фотоответа в зависимости от времени было исследовано, когда устройство подвергалось воздействию белого света путем включения и выключения. Как показано на рис. 8c, где устройство находилось под возбуждением белым светом при +0,75 В в режиме прямого смещения, ток увеличился с 20 до 35 нА в течение 15 с, что улучшилось только на 75%. При выключении белого света ток уменьшался до исходного значения в течение 30 с. С другой стороны, когда устройство находилось под возбуждением белым светом при -0,75 В в режиме обратного смещения, как показано на рис. 8d, ток резко увеличивался с 40 до 430 пА в течение 64 мс, что в 13 раз больше. больше, чем устройство в режиме прямого смещения. Кроме того, можно наблюдать более высокую скорость восстановления, поскольку ток уменьшился до исходного значения из состояния насыщения всего за 48 мс в момент, когда белый свет был выключен.

а Схема датчика на основе Si NW при освещении белым светом с интенсивностью 825 мВт / см ² . б ВАХ датчика на основе Si NW при освещении темным и белым светом. На вставке показаны соответствующие характеристики I-V в полулогарифмическом масштабе. c Фотоотклик датчика на основе Si NW с временным разрешением при +0,75 В в режиме прямого смещения при освещении белым светом при включении и выключении. г Разрешенный по времени фотоотклик датчика на основе Si NW при -0,75 В в режиме обратного смещения при освещении белым светом при включении и выключении. Подготовленное устройство было таким же, как и устройство для измерения свойств электрического транспорта на рис. 5а, б

С точки зрения характеристик фотоотклика несоответствие приведенных выше результатов можно объяснить следующим образом. Когда устройство находится в режиме прямого смещения, ширина обедненной области уменьшается и усиливается ток, что приводит к снижению чувствительности к белому свету. Однако устройство в режиме обратного смещения, напротив, имеет большую область обеднения, где существует сильное встроенное электрическое поле. Фотогенерированные электроны и дырки могут быть эффективно разделены и уменьшать скорость рекомбинации электронов и дырок при освещении белым светом, что приводит к резкому увеличению плотности свободных носителей. Следовательно, выпрямительные устройства обладают высокой скоростью отклика. Однако в предыдущих исследованиях [27, 28] выпрямительные устройства с одним омическим контактным электродом и другим контактным электродом Шоттки изготавливались путем выбора различных электродных материалов. В этом исследовании был использован простой производственный процесс. Выпрямляющее поведение устройств NW, сформированное путем диэлектрофореза, было получено просто за счет асимметричного джоулева нагрева в процессе электрических измерений.

Выводы

Таким образом, устройства на основе Si ННК были изготовлены путем выравнивания монокристаллизованных Si ННК на платиновых электродах с использованием метода DC-DEP. Могут быть получены выпрямительные ВАХ этих устройств, а направление выпрямления может быть определено направлением развертки напряжения. Это явление может быть связано с эффектами асимметричного джоулева нагрева, возникающего в процессе электрических измерений. Высокая скорость и высокий фотоотклик могут быть достигнуты для выпрямительных устройств в режиме обратного смещения благодаря эффективному разделению электронов и дырок за счет сильного встроенного электрического поля в области обеднения. Это выпрямляющее устройство на основе Si NW потенциально может быть использовано для фотодетекторов и других приложений, таких как логические вентили или датчики.