Effets du chauffage par effet Joule local asymétrique sur les dispositifs à base de nanofils de silicium formés par l'alignement par diélectrophorèse entre les électrodes Pt

Contexte

Les nanofils semi-conducteurs (NW) unidimensionnels (1D) ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur rapport surface/volume élevé, de leur effet de confinement quantique et de leur haute qualité cristalline. Grâce aux propriétés électriques et optiques accordables, les Si NW ont été incorporés avec succès dans des cellules solaires [1], des diodes électroluminescentes [2] et des photodétecteurs [3].

Plusieurs techniques de fabrication ont été rapportées pour les Si NWs, et celles-ci peuvent être divisées en deux catégories :les méthodes ascendantes et descendantes. Dans les méthodes ascendantes, les atomes et les molécules peuvent être utilisés comme éléments constitutifs des nanostructures en utilisant la technique vapeur-liquide-solide (VLS) [4], l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) [5] ou l'ablation laser [6]. Les méthodes descendantes, notamment la gravure ionique réactive profonde (DRIE) [7, 8] et la gravure chimique assistée par métal (MACE) [9, 10], ont été introduites pour les nanostructures en réduisant l'échelle des matériaux en vrac. Récemment, une méthode simple et à haut débit pour les réseaux Si NW de grande surface de mêmes dimensions a été proposée en combinant MACE avec la lithographie à nanosphère (NSL) [11, 12].

La diélectrophorèse (DEP) est l'une des méthodes couramment utilisées pour aligner les NW tels que le métal [13], les oxydes métalliques [14,15,16,17,18,19], le Si [20,21,22], le siliciure [23 ], et des semi-conducteurs III-V [24] NW pour les dispositifs intégrés, qui étaient généralement dans des structures métal-semi-conducteur-métal. Dans le processus DEP, les NW diélectriques sont exercés par les forces DEP à travers des dipôles induits lorsque les NW sont généralement soumis à un champ électrique de courant alternatif (AC) non uniforme et peuvent donc s'aligner avec précision entre les électrodes. Les dispositifs fabriqués par la méthode DEP ont été largement étudiés pour leurs propriétés électriques et utilisés pour de nombreuses applications telles que les portes logiques [21] et les capteurs [14, 16, 17, 18, 19]. Cependant, ces dispositifs avec des caractéristiques de redressement courant-tension (I-V) seraient éventuellement formés dans l'alignement DEP. Harnack et al. [14] ont proposé que les facteurs du comportement de redressement dans le dispositif à base de ZnO NW puissent être attribués au moment dipolaire dans les nanocristaux de ZnO à structure wurtzite ou aux différentes hauteurs de barrière Schottky aux deux extrémités du NW aligné. Wang et al. [15] ont en outre identifié que l'origine du comportement de redressement dans ce cas pourrait être les contacts asymétriques ZnO NW/Au, qui ont été générés avec un degré de recuit différent des deux côtés de l'alignement DEP.

Afin d'appliquer les Si NW sur des dispositifs intégrés, il est essentiel de comprendre le rôle des contacts NW/métal et son effet sur les propriétés électriques. Ici, nous démontrons la fabrication de dispositifs à base de Si NW par DEP à courant continu (DC) et étudions systématiquement les contacts de Si NW monocristallins homogènes avec des électrodes en Pt. Après une enquête sur les propriétés électriques de ces appareils, nous avons constaté que leurs caractéristiques I-V présentaient un comportement de redressement et des propriétés de photodétection uniques.

Expérimental

Pour la méthode de fabrication Si NWs, MACE combiné avec NSL, rapporté ailleurs [11, 12], un Si (100) de type n avec une résistivité allant de 1 à 10 Ω cm a été découpé en 1 × 1 cm ² pièces. Les substrats ont été nettoyés en utilisant les procédures standard de Radio Corporation of America (RCA) et rendus hydrophiles après immersion dans une solution bouillante de Piranha, un mélange de H₂ O₂ avec H₂ SO₄ dans un rapport de 1:3, pendant 10 min. Une monocouche compacte de sphères de polystyrène (PS) d'un diamètre moyen de 220 nm a été formée sur les substrats par une méthode de revêtement par immersion modifiée [25] et a ensuite réduit la taille des sphères de O₂ plasma. Un film mince d'Ag pulvérisé de 20 nm d'épaisseur a été déposé sur les substrats à motifs. Les échantillons ont été gravés par une solution de mélange de HF, H₂ O₂ , et de l'eau déminéralisée (HF =5 M et H₂ O₂ =0,176 M) à 25 °C pendant 15 min. Un réseau Si NW ordonné à grande surface a été obtenu après avoir retiré les sphères de PS résiduelles et le film mince d'Ag par du tétrahydrofurane (THF) et du HNO₃ solution, respectivement. Les produits tels que synthétisés ont été caractérisés par un microscope électronique à balayage à émission de champ (FESEM, JEOL, JSM-6700F) et un microscope électronique à transmission à haute solution (HRTEM, JEOL, JEM-2100F).

Pour étudier les propriétés de transport électrique et de photodétection des Si NW, des dispositifs à base de Si NW ont été fabriqués comme suit. Les structures d'électrodes ont été fabriquées sur le substrat de Si (100) de type n hautement dopé (0,001 à 0,006 Ω cm) avec de l'oxyde de Si de 360 ​​nm d'épaisseur par lithographie traditionnelle. Le matériau de l'électrode était du Pt (40 nm)/titane (15 nm) évaporé thermiquement sur le dessus. L'écart entre les électrodes est d'environ 2 μm. Les matrices Si NW telles que gravées ont été retirées du substrat par 5 minutes de sonication et dispersées dans une solution d'alcool isopropylique (IPA). Comme le montre la figure 1, une goutte de suspension de Si NWs a été déposée sur les électrodes métalliques prédéfinies appliquées par un champ électrique continu. Dans le processus d'alignement, l'électrode source était connectée au niveau du sol tandis que celle du drain était polarisée positivement ou négativement, comme le montre la figure 1.

Schémas de l'alignement Si NW par DC-DEP à travers des électrodes de Pt. L'électrode de drain a été polarisée positivement et négativement comme indiqué dans a et b , respectivement. L'électrode source était connectée au niveau du sol

Les propriétés de transport électrique des dispositifs basés sur Si NW ont été déterminées par la station de sonde à l'aide d'un compteur de source système (Keithley 2612A). Une lumière blanche à large bande d'une intensité de 825 mW/cm ² d'une lampe à arc Hg-Xe a été affichée verticalement sur les appareils, et les caractéristiques de photoréponse correspondantes ont été enregistrées.

Résultats et discussion

Les figures 2a, b montrent respectivement la vue en plan et les images SEM en coupe transversale des réseaux Si NW via MACE combinés avec NSL. Les Si NW à géométrie uniforme ont des diamètres compris entre 150 et 200 nm et des longueurs comprises entre 5 et 6 um. La figure 2c montre l'image MET d'un Si NW individuel, qui est une structure monocristalline et a la direction de gravure préférentielle de [100] confirmée par l'image de réseau claire montrée sur la figure 2d.

un Vue de dessus et b images SEM en coupe transversale de tableaux Si NW fabriqués par MACE combinés avec NSL. c Image MET de Si NW tel que synthétisé. d L'image TEM à résolution atomique du Si NW tel que synthétisé correspond au carré rouge dans c . L'encart est les modèles SAD de Si NW

Afin d'étudier le transport électrique des Si NW, des dispositifs à base de nanofils de silicium dans des structures métal-nanofil-métal ont été fabriqués en tant que + 0,5 V DC a été appliqué à l'électrode de drain dans le processus d'alignement DEP. La vue de dessus de l'alignement Si NW à travers les électrodes de Pt est clairement visible à partir de l'image SEM, comme le montre la Fig. 3, où les Si NW sont parallèles les uns aux autres. La densité des Si NWs alignés peut être contrôlée par la concentration des NWs dans la solution IPA. Deux méthodes différentes ont été utilisées pour mesurer les propriétés électriques des appareils. Pour la mesure de la méthode 1, les courbes I-V ont été mesurées lorsque la tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant du positif au négatif. Pour la mesure de la méthode 2, les courbes I-V ont été mesurées lorsque la tension a été appliquée à l'électrode de drain par balayage du négatif au positif. Étonnamment, les appareils ont un comportement de redressement et la direction de redressement pourrait être déterminée par une direction de balayage de tension, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1. Afin de comprendre ce phénomène, les courbes I-V ont été mesurées en appliquant différentes plages de tension de balayage à l'électrode de drain des dispositifs. La vitesse de balayage est illustrée à la figure 4. La figure 5a montre que les courbes IV ont été mesurées lorsque la tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant de + 1 à − 1 V, + 2 à − 2 V et + 3 à − 3 V en séquence, comme illustré dans l'encart de la Fig. 5a. Il montre un comportement de redressement plus évident car l'appareil a été mesuré dans la large plage de tension. Sur la figure 5b, la courbe rouge I-V a été mesurée lorsque la tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant de + 1 à - 1 V pour la deuxième fois. Le courant direct était de 9,2 nA à 0,75 V ; le courant inverse était d'environ 0,044 nA. Le rapport de courant marche-arrêt est d'environ 200. Il a été constaté que l'appareil devenait plus redresseur par rapport à la courbe noire IV, qui était précédemment mesurée dans la même plage de tension que celle illustrée sur la Fig. 5a avec le mode marche-arrêt. ratio actuel de 7,7. La courbe IV de redressement opposée peut également être produite lorsque la tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant successivement de − 0,5 à + 0,5 V, − 1 à + 1 V et − 2 à + 2 V, comme illustré dans le l'encart de la Fig. 5c. Il montre également un comportement de redressement plus évident dans la plage de tension de balayage plus large illustrée à la Fig. 5c. Sur la figure 5d, la courbe rouge I-V a été mesurée en outre lorsque la tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant de - 0,5 à + 0,5 V pour la deuxième fois. La transition d'un comportement non redresseur à un comportement redresseur peut être observée par comparaison avec la courbe noire I-V, qui a été précédemment mesurée dans la même plage de tension illustrée à la Fig. 5c. Les courbes caractéristiques I-V ci-dessus suggèrent que les comportements de redressement dans les dispositifs basés sur Si NW ont été produits au cours du processus de mesure électrique au lieu de l'alignement DEP. En outre, il a également été trouvé que la direction de redressement peut être déterminée par la direction de balayage de tension. Après la transition de non redresseur à redresseur, l'appareil avait le même sens de redressement quelle que soit la direction de balayage de tension.

Image SEM de Si NWs alignés en parallèle à travers des électrodes de Pt. Une tension continue de + 0,5 V a été appliquée au drain dans l'alignement DC-DEP

Le taux de balayage de tension pour l'électrode de drain en balayant du négatif au positif (ligne noire) et du positif au négatif (ligne rouge)

Propriétés électriques des Si NW parallèles aux électrodes de Pt. un Courbes I-V des Si NW parallèles lorsqu'une tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant de la polarisation positive à la polarisation négative, comme indiqué dans l'encart. Il y a 24 NW parallèles entre les électrodes de Pt. b Les courbes I-V mesurées sur le premier balayage (ligne noire) et le deuxième balayage (ligne rouge) de + 1 à − 1 V. c Courbes I-V des Si NW parallèles lorsqu'une tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant de la polarisation négative à la polarisation positive, comme indiqué dans l'encart. Il y a 18 NW parallèles entre les électrodes de Pt. d Les courbes I-V mesurées sur le premier balayage (ligne noire) et le deuxième balayage (ligne rouge) de - 0,5 à + 0,5 V

De plus, la courbe I-V en zigzag peut être clairement observée lorsque la tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant de + 3 à − 3 V et de − 2 à + 2 V, comme le montrent les Fig. 5a, c, respectivement. Ce phénomène peut s'expliquer par les effets de chauffage Joule asymétriques, qui proviennent des courants électriques circulant dans Si NWs lorsque la tension appliquée aux électrodes de Pt augmente. Les effets de chauffage Joule asymétriques proviennent de la répartition inégale de la température entre les électrodes, et la température sur la région anodique est plus élevée que la région cathodique [26]. Pour la mesure de la courbe I-V, le courant à une tension appliquée de 3 V est d'environ plusieurs à plusieurs centaines de nanoampères, comme indiqué sur la figure 5 et le fichier supplémentaire 1 :la figure S1, qui est beaucoup plus petite que celle de la réf. [26]. Cependant, le diamètre de Si NWs est d'environ 100 nm, ce qui est beaucoup plus petit que la largeur du canal du dispositif de la réf. [26]. De plus, comme les nanofils viennent d'être adsorbés sur les électrodes par la méthode d'alignement DEP, la zone de contact peut être beaucoup plus petite que la section transversale des nanofils. Ainsi, la densité de courant aux contacts de l'électrode NW peut être suffisamment élevée pour provoquer un échauffement Joule. Cela peut également être vu après que + 3 et - 3 V DC ont été appliqués à l'électrode de drain pour l'alignement Si NWs DEP, comme indiqué sur les Fig. 6a, b, respectivement. Les deux chiffres indiquent que les régions anodiques ont été gravement détruites par fusion par rapport aux régions cathodiques.

un Image SEM d'un appareil basé sur Si NW après qu'une tension continue de + 3 V a été appliquée à l'électrode de drain pour l'alignement Si NW. b Image SEM d'un dispositif basé sur Si NW après qu'une tension continue de - 3 V a été appliquée à l'électrode de drain pour l'alignement Si NW. Les lignes pointillées blanches montrent le bord de l'électrode avant le processus d'alignement DEP

Lorsque les courbes I-V de l'appareil ont été mesurées en atmosphère réductrice (H₂ /Ar), la propriété de redressement n'a pas été obtenue en balayant dans la large plage de tension (de - 3 à 3 V) comme indiqué dans le fichier supplémentaire 2 :Figure S2(a). La courbe I-V est symétrique et presque linéaire, ce qui indique juste une petite barrière à l'interface entre le nanofil et deux électrodes. Cependant, le Pt et le n-Si peuvent théoriquement former une barrière Schottky au contact Si de type Pt/n car le travail de sortie de Pt (~ 6,1 eV) est plus grand que le Si de type n (~ 4,15 eV). Dans cette étude, les nanofils s'adsorbent simplement sur les électrodes par la méthode d'alignement DEP. Ainsi, le changement de hauteur de barrière peut être dû à l'adsorption de gaz sur la surface de Si. Après avoir balayé la large plage de tension, la pente de la courbe I-V a augmenté, comme indiqué dans le fichier supplémentaire 2 :Figure S2(b), qui indique qu'une mesure de balayage sur une large plage de tension dans le gaz réducteur peut réduire la résistance sur les deux contacts d'électrode NW. Cependant, l'air contenant O₂ et H₂ O est une atmosphère oxydante. Dans l'air, le taux d'oxydation du Si est plus élevé à haute température qu'à basse température. Ainsi, nous pouvons en déduire que pour la mesure de balayage à grande plage de tension dans l'air, l'augmentation de la hauteur de la barrière au niveau de la région de l'anode est due à la formation d'un mince SiO oxydé _x couche à l'interface, qui présente des sites de piégeage d'électrons.

La figure 7 montre les diagrammes schématiques des bandes d'énergie pour un dispositif basé sur Si NW avant et après les traitements de chauffage par effet Joule asymétrique. Initialement, le Pt et le n-Si forment de petites hauteurs de barrière égales aux deux extrémités des NW après l'alignement DEP. Lorsque la tension était appliquée à l'électrode de drain en balayant du positif au négatif (dans la méthode 1) ou du négatif au positif (dans la méthode 2), la hauteur de la barrière du côté de l'anode à haute température serait réglée simultanément en raison du effet Joule asymétrique. effets de chauffage. En d'autres termes, la hauteur de la barrière serait augmentée et dominerait le comportement de redressement de l'appareil comme nous le déduisons des caractéristiques I-V de redressement illustrées à la Fig. 5.

Diagrammes schématiques des bandes d'énergie pour les contacts Si/Pt de type n après alignement DC-DEP (en haut au centre). L'appareil a subi le processus de chauffage par effet Joule asymétrique lorsque la tension a été appliquée à l'électrode de drain en balayant du positif au négatif dans la méthode 1 (à gauche) ou du négatif au positif dans la méthode 2 (à droite)

Pour étudier les propriétés de photodétection du dispositif redresseur basé sur Si NW dans ce cas, une lumière blanche à large bande avec une intensité de 825 mW/cm ² était affiché verticalement sur l'appareil tandis que les caractéristiques de photoréponse correspondantes étaient enregistrées, comme illustré sur la figure 8a. La figure 8b montre les courbes I-V de cet appareil sous une irradiation de lumière blanche sombre (courbe noire) et à large bande (courbe rouge). Il révèle que le photocourant pourrait être induit et que la sensibilité la plus élevée a été obtenue lorsque l'appareil présentait des caractéristiques I-V inversées illustrées dans l'encart de la figure 8b. Le comportement de la photoréponse en fonction du temps a été étudié lorsque l'appareil a été exposé à la lumière blanche en allumant et en éteignant. Comme le montre la figure 8c, où l'appareil était soumis à une excitation de lumière blanche à + 0,75 V en mode polarisé vers l'avant, le courant est passé de 20 à 35 nA en 15 s, ce qui n'est amélioré que de 75 %. Lorsque la lumière blanche a été éteinte, le courant a diminué jusqu'à la valeur initiale en 30 s. D'autre part, lorsque l'appareil était soumis à une excitation de lumière blanche à − 0,75 V en mode polarisé inverse, comme le montre la figure 8d, le courant a augmenté brusquement de 40 à 430 pA en 64 ms, soit jusqu'à 13 fois plus grand que l'appareil en mode de polarisation directe. De plus, le taux de récupération plus élevé peut être observé lorsque le courant a diminué à la valeur initiale à partir de l'état de saturation en seulement 48 ms au moment où la lumière blanche était éteinte.

un Schéma d'un capteur basé sur Si NW sous un éclairage en lumière blanche avec une intensité de 825 mW/cm ² . b Courbes I-V d'un capteur basé sur Si NW sous un éclairage de lumière noire et blanche. L'encart montre les propriétés I-V correspondantes dans une échelle semi-logarithmique. c Photoréponse résolue dans le temps d'un capteur basé sur Si NW à + 0,75 V en mode polarisé vers l'avant sous un éclairage en lumière blanche en allumant et en éteignant. d Photoréponse résolue dans le temps d'un capteur basé sur Si NW à − 0,75 V en mode polarisé inverse sous un éclairage en lumière blanche en allumant et en éteignant. Le dispositif préparé était le même que celui utilisé pour la mesure des propriétés de transport électrique de la Fig. 5a, b

En termes de performances de photoréponse, la divergence de ces résultats ci-dessus peut être expliquée comme suit. Lorsque l'appareil est en mode polarisé vers l'avant, la largeur de la région d'appauvrissement diminue et améliore le flux de courant qui entraîne une sensibilité plus faible à la lumière blanche. Cependant, le dispositif en mode polarisé inverse, en revanche, a la plus grande région d'appauvrissement où existe le fort champ électrique intégré. Les électrons et les trous photogénérés peuvent être séparés efficacement et réduire les taux de recombinaison électron-trou sous l'éclairage en lumière blanche, entraînant ainsi une augmentation brutale de la densité de porteurs libres. Par conséquent, les dispositifs de redressement ont une propriété de taux de réponse élevé. Cependant, dans des études précédentes [27, 28], des dispositifs de redressement avec une électrode de contact ohmique et l'autre électrode de contact Schottky ont été fabriqués en sélectionnant divers matériaux d'électrode. Dans cette étude, un processus de fabrication simple a été utilisé. Le comportement de redressement des dispositifs NW formés par l'alignement par diélectrophorèse a été obtenu simplement par un chauffage par effet Joule asymétrique dans le processus de mesure électrique.

Conclusions

En résumé, les dispositifs à base de Si NW ont été fabriqués en alignant les Si NW monocristallins sur les électrodes de Pt à l'aide de la méthode DC-DEP. Les caractéristiques de redressement I-V de ces dispositifs peuvent être obtenues et la direction de redressement peut être déterminée par la direction de balayage de tension. Ce phénomène peut être associé aux effets d'échauffement Joule asymétriques produits dans le processus de mesure électrique. La vitesse élevée et la photoréponse élevée peuvent être obtenues pour les dispositifs de redressement en mode polarisé inverse en raison de la séparation efficace des électrons et des trous par un champ électrique intégré puissant dans la région d'appauvrissement. Ce dispositif de redressement basé sur Si NW peut potentiellement être utilisé pour des photodétecteurs et d'autres applications telles que des portes logiques ou des capteurs.