Ректификация и фотодетекция в устройствах на нанопроводниках Si, выровненных методом DC-диэлектрофореза между платиновыми электродами

Аннотация

Предложен простой, масштабируемый метод изготовления устройств на кремниевых нанопроводниках (Si NW) в архитектуре металл-нанопроводник-металл с использованием постоянного тока диэлектрофореза (DC-DEP). Полученные устройства демонстрируют выраженные выпрямляющие вольт-амперные характеристики, полярность которых зависит от направления обхода напряжения. Это поведение обусловлено асимметричным джоулевским нагревом при электрических измерениях. В режиме обратного смещения устройства показывают сильный фотовоздействие из-за мощного встроенного поля на границе Si NW/Pt, что открывает перспективы для фотодетекторов, логических элементов и сенсоров.

Введение

Одномерные полупроводниковые нанопроводники обладают высоким отношением поверхности к объему, квантовым замыканием и высоким кристаллическим качеством, что позволяет применять их в фотовольтаике, светодиодах и фотодетекторах. Кремниевые нанопроводники (Si NW) интегрировали в солнечные элементы, светодиоды и фотодетекторы, используя их настраиваемые электрические и оптические свойства.

Si NW можно синтезировать низу-вверх методами (VLS, MBE, лазерная аблиация) или сверху-вниз подходами (DRIE, MACE). Недавно высокопроизводительный метод сочетает металло-ассистированное химическое травление (MACE) с наносферной литографией (NSL) для получения однородных массивов Si NW.

Диэлектрофорез (DEP) широко применяют для выравнивания нанопроводников между электродами, что позволяет создавать металл-полупроводник-металл устройства. DEP выравнивает диэлектрические наноструктуры, индуцируя диполи в неоднородном переменном электрическом поле, обеспечивая точный контроль ориентации и размещения. Предыдущие исследования на ZnO, Si и III-V нанопроводниках сообщали о выпрямляющем поведении I-V, часто приписываемом асимметричным Шотткиевским барьерам или различиям контактов.

Понимание роли контактов Si NW/металл необходимо для интеграции устройств. Здесь мы изготавливаем устройства на Si NW с использованием DC-DEP и систематически исследуем их электрические и фоточувствительные свойства, раскрывая выпрямляющее поведение и эффекты асимметричного джоулевского нагрева.

Экспериментальная часть

Si NW изготавливали методом MACE в сочетании с NSL на n-типе подложках Si(100) (1–10 Ом·см). После стандартной очистки RCA и пираньевого обработки, монослой полистироловых сфер диаметром 220 нм собирали и уменьшали размер плазмой O₂. Спуттерировали 20 нм Ag и травляли в HF/H₂O₂ (5 М/0,176 М) при 25 °C в течение 15 мин. Остаточные сферы и Ag удаляли в THF и HNO₃, получая крупноплощадные упорядоченные массивы Si NW. FESEM и HRTEM подтвердили монохрустальную [100] ориентацию и равномерные диаметры (150–200 нм) и длины (5–6 мкм).

Для изготовления устройств электроды Pt (40 нм)/Ti (15 нм) формировали на сильно легированной n-типе подложке Si(100) (0,001–0,006 Ом·см) фотолитографией с зазором 2 мкм. Si NW ультразвуковым образом отделяли от маски травления в изопропиловый спирт и диспергировали. Каплю суспензии наносили на электроды; при DC-DEP выравнивании на сток подавали +0,5 В постоянного смещения, исток был заземлен. Электрический транспорт измеряли с помощью Keithley 2612A. Фотоотклик записывали под широкополосным белым светом Hg-Xe лампы (825 мВт/см²).

Результаты и обсуждение

SEM-изображения (рис. 2a,b) подтверждают однородные массивы Si NW. TEM (рис. 2c,d) показывает монохрустальную структуру с решетчатым интервалом, соответствующим Si[100].

Устройства выравнивали под смещением +0,5 В. SEM (рис. 3) показывает параллельные NW, перекрывающие электроды Pt. Изменяя концентрацию IPA, контролировали плотность NW. I-V измерения проводили двумя протоколами обхода: (i) положительное→отрицательное и (ii) отрицательное→положительное. Удивительно, полярность выпрямления зависела от направления обхода (рис. 5). Расширение диапазона напряжения усиливало выпрямление (коэффициент включения/выключения до 200). Повторные обходы усиливали выпрямляющее поведение, указывая, что эффект возникает при электрическом измерении, а не при DEP-выравнивании.

Зигзагообразные I-V кривые при больших обходах напряжения объясняются асимметричным джоулевским нагревом. При прохождении тока анодная сторона нагревается сильнее катодной, что приводит к локальному окислению Si и увеличению барьера на анодном контакте. SEM после DEP-выравнивания при +3 В и –3 В (рис. 6) показывает выраженное повреждение на анодной стороне, подтверждая эту асимметрию.

Измерения в восстановительной атмосфере (H₂/Ar) подавляли выпрямление при обходах ±3 В, давая почти линейные I-V кривые. Это указывает на то, что адсорбция газа модифицирует интерфейсный барьер. В воздухе окисление на аноде при высокотемпературных обходах увеличивает барьер, усиливая выпрямление.

Энергетические диаграммы (рис. 7) иллюстрируют эволюцию: изначально симметричные, низкие Шотткиевские барьеры на обоих контактах. После асимметричного джоулевского нагрева анодный барьер повышается, вызывая выпрямление, ориентированное по направлению обхода.

Тесты фотоотклика (рис. 8) показывают, что обратное смещение дает существенное увеличение фототока (~13 раз) по сравнению с прямым смещением. Обратное смещенное устройство достигает быстрого нарастания (64 мс) и восстановления (48 мс) благодаря расширенной зоне обеднения и сильному встроенному полю, эффективно разделяющему фотогенерированные носители.

Заключение

Продемонстрировано, что устройства на Si NW, изготовленные DC-DEP через электроды Pt, демонстрируют выпрямление, зависящее от направления обхода напряжения, из-за асимметричного джоулевского нагрева при электрических измерениях. В обратном смещении эти выпрямляющие устройства показывают быструю, высокочувствительную фотодетекцию, что делает их привлекательными для фотодетекторов, логических схем и сенсорных приложений.