Si納米線器件及其研究進(jìn)展

彭英才，張志剛，李俊穎，婁建忠

（河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定 071002）

學(xué)科綜述

Si納米線器件及其研究進(jìn)展

彭英才，張志剛，李俊穎，婁建忠

（河北大學(xué)電子信息工程學(xué)院，河北保定 071002）

Si納米線是一種新型的準(zhǔn)一維納米半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的電子輸運(yùn)特性、場發(fā)射特性和光學(xué)特性等.本文對利用Si納米線制備的各類電子器件，例如存儲器、場效應(yīng)晶體管、化學(xué)傳感器和太陽能電池的研究進(jìn)展做了簡要評述.最后，對Si納米線的應(yīng)用前景進(jìn)行了初步展望.

Si納米線；納米線器件；研究進(jìn)展

近10余年來，各類納米線的制備方法、結(jié)構(gòu)表征、物理性質(zhì)及其新型器件應(yīng)用的研究，已成為納米光電子技術(shù)領(lǐng)域一個(gè)熱點(diǎn)課題［1－3］.這是由于Si納米線所呈現(xiàn)出的的小直徑尺寸、能級分立特性、大的表面／體積比、二維量子限制效應(yīng)，使其具有許多顯著不同于其他低維半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)以及力學(xué)等新穎物理性質(zhì)［4－7］，尤其是Si納米線與現(xiàn)有Si集成電路之間良好的工藝兼容和集成特性，使其成為制備Si基納米器件及其集成電路的首選材料.例如：利用Si納米線所具有的場發(fā)射特性，可以制成高性能場致發(fā)射器件［8］；利用摻雜Si納米線所具有的庫侖阻塞性質(zhì)，可以制成單電子存儲器件［9］；利用Si納米線的顯著的二維量子限制效應(yīng)，可以制作高效率發(fā)光器件［10］；利用Si納米線具有的大面積光吸收與直線電子傳輸特性，可以制作高轉(zhuǎn)換效率太陽能電池［11］.隨著Si納米線制備技術(shù)的日益成熟，一定程度上能夠控制Si納米線的直徑、尺寸與生長取向等結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而可以滿足多種納米線器件制作的需要.另外，通過對Si納米線進(jìn)行p型或n型摻雜可以形成多種p－n結(jié)，這就進(jìn)一步拓寬了Si納米線在量子器件中的應(yīng)用范圍，因而對納米電子器件的發(fā)展具有重要意義.Si納米線器件的最終實(shí)現(xiàn)，主要取決于能否精確控制和調(diào)節(jié)其直徑尺寸、化學(xué)組分、表面性質(zhì)、結(jié)晶性能以及器件結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)［12］.本文簡要介紹了近年來Si納米線器件的最新研究進(jìn)展，并對其發(fā)展前景進(jìn)行了初步預(yù)測.

2 Si納米線器件

2.1 Si納米線存儲器件

納米存儲器件主要指利用納米材料制備具有非易失性和大容量的存儲器，要求器件應(yīng)具有穩(wěn)定的存儲時(shí)間和較快的反應(yīng)速度，并能夠?qū)崿F(xiàn)良好的讀／寫功能.利用摻雜Si納米線的庫侖阻塞效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)單電子存儲元件的制作.研究發(fā)現(xiàn)，在Si納米線存儲器件中，精確控制Si納米線尺寸可以優(yōu)化諸如可逆性、讀寫速度、編程延時(shí)和存儲時(shí)間等一系列相關(guān)參數(shù)［13］.Tsu等［14］采用電子束蝕劑工藝制備了平均線寬為15 nm和長度為400 nm的Si納米線器件，該器件呈現(xiàn)出了良好的存儲特性.室溫下對Si納米線器件仿真測量證實(shí)，在其漏電流與頂柵電壓關(guān)系曲線中觀察到明顯的電滯回線.當(dāng)側(cè)柵電壓處于零偏時(shí)，得到的閾值電壓漂移值約為2.2 V，而且器件存儲時(shí)間能夠穩(wěn)定在108s.Zhu等［15］通過一種自對準(zhǔn)工藝制備了Si納米線溝道非易失性存儲元件，Si納米線的直徑為20 nm和長度為5～20μm.器件的溝道長度在2～6μm內(nèi).由于柵和HfO2層幾乎完全包裹了Si納米線，使得器件顯示出了良好的柵控制特性，頂柵控制開啟電壓為6 V，開／關(guān)電流變換系數(shù)為107.當(dāng)頂柵和背柵電壓為零偏時(shí)，柵極漏電流在105s范圍內(nèi)下降約1個(gè)數(shù)量級，其結(jié)果如圖1所示.開關(guān)態(tài)的存儲時(shí)間約為3×105s，該時(shí)間長短主要與Hf O2晶粒間界中產(chǎn)生的漏電流有關(guān).Yoon等［16］則研究了基于p－Si納米線的納米浮柵存儲器，在其制作的Si納米線周圍鈍化層中內(nèi)嵌了Au納米顆粒.由于Au納米粒子對Si納米線中的電子有很強(qiáng)的復(fù)合作用，使得納米浮柵存儲器呈現(xiàn)出了優(yōu)異的存儲特性，其閾值電壓漂移值為5.4 e V，存儲有效時(shí)間約為5×104s.

2.2 Si納米線場效應(yīng)晶體管

利用摻雜Si納米線的多導(dǎo)電通道和高電子遷移率特性，可以制備性能優(yōu)良的Si納米線場效應(yīng)晶體管（FET），通過控制Si納米線的長度、直徑、摻雜濃度等參數(shù)，能夠有效調(diào)節(jié)晶體管的導(dǎo)電溝道和串聯(lián)電阻.Lee等［17］報(bào)道了淺注入p－Si納米線場效應(yīng)晶體管的電學(xué)特性.當(dāng)Si納米線場效應(yīng)晶體管中空穴濃度為1.7×1017cm－3時(shí)，場效應(yīng)遷移率達(dá)到0.4 cm2／（V·s）.當(dāng)UDS＝1 V時(shí)，場效應(yīng)晶體管的開關(guān)電流比約為103.開關(guān)電流較小的主要原因是：1）未完全激活的B離子對載流子的散射作用；2）淺注入p－Si納米線場效應(yīng)晶體管源－漏接觸間形成的高勢壘作用.Feste等［18］分別研究了在絕緣體硅（SOI）和雙軸拉伸應(yīng)變絕緣體硅（SSOI）中合成的Si納米線FET.實(shí)驗(yàn)仿真分別得到了二者的導(dǎo)通電流、跨導(dǎo)以及載流子遷移率.Si納米線FET的開關(guān)電流比高達(dá)107，而關(guān)閉電流僅為10－13A.基于SOI和SSOI的FET，反向亞閾值斜率分別為80 m V／dec和65 m V／dec.與二維平面器件相比，Si納米線場效應(yīng)晶體管的導(dǎo)通電流對稱性更好，載流子遷移率也更高.

Huang等［19］利用催化反應(yīng)，在Si3N4／Si襯底上制備了Si納米線場效應(yīng)光電晶體管.圖2是由藍(lán)光發(fā)射二極管（LED）作為激發(fā)光源時(shí)，測得的光電晶體管的ID－UDS特性曲線.當(dāng)LED開啟電壓達(dá)到2.7 V時(shí)，觀察到光電晶體管中暗電流為2.4μA，IDS隨UG的增加而增大.當(dāng)UG＝6 V和UDS＝30 V時(shí)，IDS＝43μA.進(jìn)一步增大光照強(qiáng)度，能夠明顯提高溝道電流值.當(dāng)采用紅光LED光源時(shí)，結(jié)果顯示光電晶體管的電流增益遠(yuǎn)小于在藍(lán)光照射下的電流增益，二者相差約30倍.

圖1 非易失性存儲器I－T關(guān)系曲線Fig.1 I－T transfer curve of the NVM

圖2 藍(lán)光照射下光電晶體管的I－U曲線 Fig.2 I－U curve under blue illumination

2.3 Si納米線場發(fā)射器件

場發(fā)射是利用強(qiáng)電場使固體表面勢壘降低并變窄，當(dāng)納米線層的表面勢壘寬度窄到可與電子波長相比擬時(shí)，部分高能電子由于隧穿效應(yīng)穿透表面勢壘而進(jìn)入真空.一維Si納米線納米結(jié)構(gòu)的特定形貌使其能夠產(chǎn)生足夠大的場增強(qiáng)因子，從而使得外加電場不太高時(shí)也能獲得良好的電子場發(fā)射特性.Xu等［20］利用納米球刻蝕結(jié)合熱氧化技術(shù)制作了高度有序的納米線層，并對其場發(fā)射特性進(jìn)行了測量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，器件起始發(fā)射電流密度為1μA／cm2時(shí)的閾值場強(qiáng)為7～8 V／μm.經(jīng)過時(shí)間為3 min的活性離子腐蝕工藝處理后，其發(fā)射電流密度達(dá)到70μA／cm2，對應(yīng)的閾值場強(qiáng)為12 V／μm.器件的場增強(qiáng)因子高達(dá)850，遠(yuǎn)高于同類材料制作的場發(fā)射器件.Chueh等［21］通過對生長在（001）Si襯底上的高密度FeSi2納米量子點(diǎn)進(jìn)行高溫退火處理，合成了具有場強(qiáng)發(fā)射特性的類圓錐Si納米線，其直徑為5～10 nm，長度為～6μm和占空比（長度與直徑之比）為150～170.對于該納米線而言，發(fā)射電流密度達(dá)到0.01 m A／cm2時(shí)的閾值場強(qiáng)為6.3～7.3 V／μm，而發(fā)射電流密度達(dá)到10 m A／cm2時(shí)的閾值場強(qiáng)為9～10 V／μm.Xiong等［22］實(shí)驗(yàn)研究了以Au為催化劑和以SiH4為源氣體，在753 K溫度下生長的單晶Si納米線的場發(fā)射特性.當(dāng)發(fā)射電流密度達(dá)到1 m A／cm2時(shí)的閾值場強(qiáng)為3.4 V／μm，而發(fā)射電流為0.01 m A／cm2時(shí)的閾值場強(qiáng)為21 V／μm.Lu等［23］采用化學(xué)氣相沉積模版法制備了平均直徑為50 nm的Si納米線陣列，并研究了其場發(fā)射特性.當(dāng)納米線在電場中發(fā)射出0.01 m A／cm2的電流密度時(shí)，所對應(yīng)的閾值場強(qiáng)為14 V／μm.可以認(rèn)為，該Si納米線陣列的場發(fā)射是由Si納米線的生長尖端及其定向生長引起的.對硼摻雜Si納米線的場發(fā)射特性進(jìn)行了測量，當(dāng)電場中發(fā)射出0.01 m A／cm2的電流密度時(shí)，對應(yīng)的閾值電場為6 V／μm，此值低于相同直徑本征Si納米線9 V／μm的閾值場強(qiáng)，這說明摻雜Si納米線比本征Si納米線有著更好的場致發(fā)射特性.

2.4 Si納米線傳感器

準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)Si納米線具有很大的表面／體積比和很高的表面化學(xué)活性，因此對某些特定的外界物質(zhì)具有敏感的響應(yīng)特性［24］.利用外加介質(zhì)引起Si納米線電阻變化，可以實(shí)現(xiàn)傳感器檢測.Chen等［25］采用3層納米壓印和濕法刻蝕工藝制備了尖端線寬為22 nm的Si納米線氣體傳感器.將器件樣品置于NO2中進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，納米線吸附NO2后，電導(dǎo)率增加15%，器件反應(yīng)靈敏度為14.7%，相對較低.Guo等［26］制備了用于檢測登革熱病毒的高靈敏度Si納米線生物傳感器，使用非純的RT－PCR樣品對傳感器靈敏度進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖4所示.當(dāng)測試樣品濃度為0.1 pmol／L時(shí)，Si NWs的電阻變化幅度為13%.而當(dāng)測試樣品濃度下降為0.05 pmol／L和0.01 pmol／L時(shí)，電阻值變化幅度分別為11%和9%，且響應(yīng)時(shí)間均在60 min以內(nèi).Ajay等［27］采用標(biāo)準(zhǔn)的由上至下CMOS工藝制作了Si納米線傳感器.電阻式溫度檢測器（RTD）和二極管溫度檢測器，器件初始電阻溫度系數(shù)（TCR）為7.5×10－3K－1.利用反饋偏置后，TCR上升至0.01 K－1，器件工作溫度為293～373 K.對應(yīng)于濃度為10 pmol／L和1μmol／L的單鏈DNA檢測液，器件靈敏度分別為10%和 16%，器件信噪比小于6.器件電導(dǎo)隨溫度呈線性變化關(guān)系，溫度測量的標(biāo)準(zhǔn)誤差維持在85 ps.利用Si納米線電阻變化特性制備的超靈敏壓阻式應(yīng)變傳感器最近由Marta等所報(bào)道［28］.該傳感器的主要特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了將水平生長的Si納米線層僅固定于機(jī)械活動(dòng)懸臂中軸的一側(cè)，因此能精確檢測由懸臂轉(zhuǎn)向產(chǎn)生的拉伸或壓縮應(yīng)力導(dǎo)致的電阻變化值，而不受其他扭力影響.傳感器Si納米線層接觸電阻在10～100Ω內(nèi)，其傳導(dǎo)靈敏度約為105m－1，比傳統(tǒng)的體Si壓阻懸臂傳感器靈敏度高1個(gè)數(shù)量級.

圖3 發(fā)射電流密度與閾值電場間的關(guān)系Fig.3 Dependence of the field emission current

圖4 傳感器電阻隨樣品濃度變化關(guān)系 Fig.4 Sensor Resistance change－versus－concentrations

2.5 Si納米線太陽能電池

Si納米線在未來的納米結(jié)構(gòu)太陽能電池中具有潛在的應(yīng)用，這是由于在Si納米線結(jié)構(gòu)中原子具有定向的有序生長，因此可以提高其結(jié)晶質(zhì)量，有效減少其中的陷阱態(tài)密度，從而使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率得以提高［11］.美國IBM貝爾實(shí)驗(yàn)室［29］最新研制出一種核／殼結(jié)構(gòu)Si納米線太陽電池，結(jié)構(gòu)如圖5 a所示.實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果如圖5 b所示，Si納米線內(nèi)量子效率在波長為900 nm時(shí)處于60%～80%內(nèi)，并隨著波長變化而迅速下降，表明Si納米線太陽能電池表面復(fù)合效應(yīng)比等價(jià)的平面器件更為明顯.淀積Al2O3作為鈍化層后，最大量子轉(zhuǎn)換效率從1%提升至1.8%.Kumar等［30］為了克服太陽電池表面Si納米線與金屬電極的接觸問題，制備了有源區(qū)Si納米線層電池單元.實(shí)驗(yàn)測量和計(jì)算結(jié)果顯示，Si納米線層在300～1 000 nm波譜范圍內(nèi)平均反射率＜5%，納米線層與金屬電極間的接觸電阻只有0.85Ω／cm2，較好地實(shí)現(xiàn)了兩者的歐姆接觸.有源區(qū)Si納米線層電池單元的短路電流為37 m A／cm2，開路電壓為544 m V，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13.7%.

圖5 納米線p－n結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)a和內(nèi)量子效率bFig.5 a.Schematic diagram of aradial p－n junction SiNW solar cell；b.Inner quantum efficiency

Huang等［31］研究了P3HT∶PCBM混合異質(zhì)結(jié)太陽能電池，并在AM1.5光照下對該電池進(jìn)行了仿真測試.在沒有Si納米線的情況下，該太陽能電池的短路電流密度JSC＝7.17 m A／cm2，開路電壓UOC＝0.414 V，填充因子FF＝0.407和轉(zhuǎn)換效率η＝1.21%.而P3HT∶PCBM／SiNWs太陽電池的Jsc＝11.6 m A／cm2，Uoc＝0.425 V，F(xiàn)F＝0.39和η＝1.91%.該結(jié)果說明，Si納米線混合太陽電池的光伏性能有了很大改善，主要?dú)w因于以下2點(diǎn)：1）是SiNWs減小了太陽電池的串聯(lián)電阻，提供了增加光生載流子收集的快速運(yùn)輸通道.2）是高密度SiNWs增加了Si－P3H T的界面面積，從而提高了光吸收面積和激子的解離效率.Shu等［32］結(jié)合Si納米線和雙壁碳納米管制備了混合異質(zhì)結(jié)光電化學(xué)太陽電池，采用40%的HBr和3%的Br2混合溶液作為氧化還原電解液.實(shí)驗(yàn)比較了不同Si納米線密度和有無電解液對太陽電池的I-U特性和轉(zhuǎn)換效率的影響.結(jié)果指出，該太陽能電池的Jsc＝10.5 m A／cm2，Uoc＝0.5 V，F(xiàn)F＝0.25，η＝1.29%.與同類太陽電池相比較，性能參數(shù)提高的原因主要是：1）高密度Si NWs／CNNT異質(zhì)結(jié)擁有更低的反射率，能夠產(chǎn)生更多的光生載流子；2）氧化還原電解液的存在填補(bǔ)了Si納米線間的空隙，改善了Si納米線同碳納米管之間的接觸，從而使得Si納米線收集光生載流子的能力大大增強(qiáng).

3 結(jié)束語

Si納米線器件所展示的良好的應(yīng)用前景，啟示人們應(yīng)對此進(jìn)行進(jìn)一步探索.作為其未來發(fā)展，以下幾個(gè)方面應(yīng)值得重視：1）在理論上應(yīng)深入揭示Si納米線這類準(zhǔn)一維納米結(jié)構(gòu)所具有的優(yōu)異電子輸運(yùn)特性和光電子特性，這就需要對其的電子結(jié)構(gòu)、價(jià)鍵狀態(tài)以及結(jié)晶取向等進(jìn)行理論計(jì)算與特性模擬；2）制作任何新型器件，摻雜材料的制備必不可少，如何對Si納米線進(jìn)行有效摻雜，使其呈現(xiàn)出預(yù)期的n型和p型摻雜性質(zhì)，這就需要在雜質(zhì)選取和摻雜方法等方面進(jìn)行更多的嘗試性研究；3）目前采用多種方法制備的Si納米線，均呈無序狀態(tài).為了能使之付諸器件應(yīng)用，有序Si納米線生長至關(guān)重要，因此，需要開發(fā)出制備有序Si納米線的工藝技術(shù)；4）現(xiàn)有的Si納米線器件在器件結(jié)構(gòu)上還存在可以進(jìn)一步優(yōu)化的空間，因?yàn)槠骷Y(jié)構(gòu)直接關(guān)系到器件的應(yīng)用特性與器件的集成性能.

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Si－based Nanowire Devices and Their Development

PENG Ying－cai，ZHANG Zhi－gang，LI Jun－ying，LOU Jian－zhong
（College of Electronic and Informational Engineering，Hebei University，Baoding 071002，China）

As a novel one－dimensional semiconductor material，silicon nanowires（SiNWs）have excellent field mission，electrical transport，and optical properties.In this review，we mainly focus on the recent developments of SiNWs used for memory，field emission device，sensors and solar cells.Finally，major challenges and promises of SiNWs in this field are simply dicussed.

Si nanowire；nano device；research development

TB 383

A

1000－1565（2011）03－0325－06

2010－12－10

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2008000626）

彭英才（1948－），男，河北曲陽人，河北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，目前主要從事納米光電信息薄膜材料的制備與光電特性研究.E－mail：ycpeng2002＠163.com

孟素蘭）