Redressement et photodétection dans des dispositifs à nanofils de Si alignés par diélectrophorèse DC à travers des électrodes en platine

Résumé

Nous présentons une voie de fabrication simple et évolutive pour des dispositifs à nanofils de silicium (Si NW) en architecture métal-nanofil-métal utilisant la diélectrophorèse à courant continu (DC-DEP). Les dispositifs résultants présentent des caractéristiques I-V redressantes claires, dont la polarité dépend du sens du balayage de tension. Ce comportement provient d'un chauffage Joule asymétrique pendant les mesures électriques. Fonctionnant en polarisation inverse, les dispositifs montrent une photoréponse prononcée due à un fort champ interne à l'interface Si NW/Pt, suggérant une utilisation potentielle dans les photodétecteurs, éléments logiques et capteurs.

Contexte

Les nanofils semi-conducteurs unidimensionnels possèdent des rapports surface/volume élevés, un confinement quantique et une qualité cristalline exceptionnelle, permettant des applications dans le photovoltaïque, les LED et les photodétecteurs. Les nanofils de silicium (Si NW) ont été intégrés dans des dispositifs tels que cellules solaires, LED et photodétecteurs, exploitant leurs propriétés électriques et optiques ajustables.

Les Si NW peuvent être synthétisés par des méthodes bottom-up (VLS, MBE, ablation laser) ou top-down (DRIE, MACE). Une méthode récente à haut débit combine l'attaque chimique assistée par métal (MACE) avec la lithographie par nanosphères (NSL) pour produire des réseaux ordonnés de Si NW uniformes.

La diélectrophorèse (DEP) est largement employée pour aligner les nanofils entre électrodes, permettant la fabrication de dispositifs métal-semiconducteur-métal. La DEP aligne les nanostructures diélectriques en induisant des dipôles dans un champ électrique AC non uniforme, offrant un contrôle précis de l'orientation et du placement. Des études antérieures sur nanofils ZnO, Si et III-V ont rapporté un comportement I-V redressant, souvent attribué à des barrières de Schottky asymétriques ou des différences de contact.

Comprendre le rôle des contacts Si NW/métal est essentiel pour l'intégration de dispositifs. Ici, nous fabriquons des dispositifs Si NW en utilisant DC-DEP et investiguons systématiquement leurs propriétés électriques et photosensibles, révélant un comportement redressant et des effets induits par chauffage Joule asymétrique.

Expérimental

Les Si NW ont été fabriqués par MACE combiné avec NSL sur wafers Si(100) de type n (1-10 Ω cm). Après nettoyage RCA standard et traitement Piranha, une monocouche de sphères de polystyrène de 220 nm a été assemblée et réduite en taille par plasma O₂. Un film d'Ag de 20 nm a été pulvérisé et gravé dans HF/H₂O₂ (5 M/0,176 M) à 25 °C pendant 15 min. Les sphères résiduelles et l'Ag ont été éliminés dans le THF et HNO₃, produisant des réseaux ordonnés de Si NW à grande surface. Le MEB-FEG et HRTEM ont confirmé une orientation monocristalline [100] et des diamètres uniformes (150-200 nm) et longueurs (5-6 µm).

Pour la fabrication des dispositifs, des électrodes Pt (40 nm)/Ti (15 nm) ont été structurées sur un substrat Si(100) de type n fortement dopé (0,001-0,006 Ω cm) par lithographie, avec un espace de 2 µm. Les Si NW ont été soniqués depuis le masque de gravure dans l'alcool isopropylique et dispersés. Une goutte de cette suspension a été appliquée sur les électrodes ; un biais DC de +0,5 V a été appliqué à l'électrode de drain pendant l'alignement DC-DEP, la source étant mise à la masse. Le transport électrique a été mesuré avec un sourcemeter Keithley 2612A. La photoréponse a été enregistrée sous lumière blanche large bande de 825 mW cm⁻² d'une lampe Hg-Xe.

Résultats et Discussion

Les images MEB (Fig. 2a,b) confirment des réseaux de Si NW uniformes. La TEM (Fig. 2c,d) montre une structure monocristalline avec un espacement de réseau cohérent avec Si[100].

Les dispositifs ont été alignés sous un biais DC de +0,5 V. Le MEB (Fig. 3) révèle des NW parallèles reliant les électrodes Pt. En variant la concentration d'IPA, la densité de NW était contrôlée. Les mesures I-V ont été effectuées avec deux protocoles de balayage : (i) positif→négatif et (ii) négatif→positif. Remarquablement, la polarité du redressement dépendait du sens du balayage (Fig. 5). Des plages de tension plus larges renforçaient le redressement (rapports marche/arrêt jusqu'à 200). Des balayages répétés renforçaient le comportement redressant, indiquant que l'effet survient pendant la mesure électrique plutôt que pendant l'alignement DEP.

Les courbes I-V en zigzag observées sous grands balayages de tension sont attribuées au chauffage Joule asymétrique. Alors que le courant circule, le côté anode atteint une température plus élevée que la cathode, conduisant à une oxydation locale du Si et à une augmentation de la hauteur de barrière au contact anode. Le MEB après alignement DEP à +3 V et –3 V (Fig. 6) montre des dommages prononcés du côté anode, confirmant cette asymétrie.

Des mesures dans une atmosphère réductrice (H₂/Ar) ont supprimé le redressement sur des balayages ±3 V, donnant des courbes I-V presque linéaires. Cela suggère que l'adsorption de gaz modifie la barrière interfaciale. Dans l'air, l'oxydation à l'anode pendant les balayages à haute température augmente la barrière, renforçant le redressement.

Les diagrammes de bandes d'énergie (Fig. 7) illustrent l'évolution : initialement, barrières de Schottky symétriques et faibles aux deux contacts. Après chauffage Joule asymétrique, la barrière anode augmente, causant un redressement aligné avec le sens du balayage.

Les tests de photoréponse (Fig. 8) montrent que la polarisation inverse produit une augmentation substantielle du photocourant (≈13×) comparé à la polarisation directe. Le dispositif polarisé en inverse atteint des temps de montée (64 ms) et de récupération (48 ms) rapides, grâce à la région d'appauvrissement élargie et au fort champ interne, qui séparent efficacement les porteurs photogénérés.

Conclusions

Nous avons démontré que les dispositifs à nanofils de Si fabriqués via DC-DEP à travers des électrodes Pt présentent un redressement dépendant du sens de balayage de tension dû au chauffage Joule asymétrique pendant les mesures électriques. En polarisation inverse, ces dispositifs redressants affichent une photodétection rapide et à haute sensibilité, les rendant attractifs pour les photodétecteurs, circuits logiques et applications de capteurs.