非对称局部焦耳加热对通过介电电泳排列在 Pt 电极上形成的基于硅纳米线的器件的影响

背景

一维 (1D) 半导体纳米线 (NW) 因其高表面积与体积比、量子限制效应和高晶体质量而备受关注。 Si纳米线具有可调的电学和光学特性，已成功应用于太阳能电池[1]、发光二极管[2]和光电探测器[3]。

已经报道了几种 Si NW 的制造技术，这些技术可以分为两类：自下而上和自上而下的方法。在自下而上的方法中，原子和分子可用作利用气-液-固 (VLS) 技术 [4]、分子束外延 (MBE) [5] 或激光烧蚀 [6] 的纳米结构的构建块。自上而下的方法包括深度反应离子蚀刻 (DRIE) [7, 8] 和金属辅助化学蚀刻 (MACE) [9, 10] 已通过缩小体材料的尺寸引入纳米结构。最近，通过将MACE与纳米球光刻（NSL）相结合，提出了一种简便且高通量的相同尺寸大面积Si NW阵列方法[11, 12]。

介电电泳 (DEP) 是用于排列纳米线的常用方法之一，例如金属 [13]、金属氧化物 [14,15,16,17,18,19]、Si [20,21,22]、硅化物 [23] ] 和 III-V 族半导体 [24] 用于集成器件的 NW，通常采用金属-半导体-金属结构。在 DEP 工艺中，当 NW 通常受到非均匀交流 (AC) 电场的影响时，介电 NW 由 DEP 力通过感应偶极子施加，因此可以在电极之间精确对齐。通过 DEP 方法制造的器件已被广泛研究其电气特性，并用于许多应用，如逻辑门 [21] 和传感器 [14、16、17、18、19]。然而，这些具有整流电流-电压 (I-V) 特性的器件可能会在 DEP 对准中形成。哈纳克等人。 [14] 提出基于 ZnO NW 的器件中整流行为的因素可归因于具有纤锌矿结构的 ZnO 纳米晶体中的偶极矩或对齐 NW 两端的不同肖特基势垒高度。王等人。 [15]进一步确定这种情况下整流行为的起源可能是不对称的ZnO NW / Au接触，这是在DEP对齐的两侧通过不同程度的退火产生的。

为了在集成器件上应用 Si NW，必须了解 NW/金属触点的作用及其对电性能的影响。在这里，我们展示了通过直流 (DC) DEP 制造基于 Si NW 的器件，并系统地研究了同质单晶 Si NW 与 Pt 电极的接触。在研究这些器件的电学特性后，我们发现它们的 I-V 特性表现出整流行为和独特的光敏特性。

实验

对于 Si NWs 制造方法，MACE 结合 NSL，在别处报道[11, 12]，电阻率范围为 1 至 10 Ω cm 的 n 型 Si (100) 被切割成 1 × 1 cm ^{2 件。使用标准的美国无线电公司 (RCA) 程序清洁基板，并在浸入沸腾的食人鱼溶液（H2O2 与 H2SO4 的比例为 1:3 的混合物）中 10 分钟后使其亲水。通过改进的浸涂方法 [25] 在基材上形成平均直径为 220 nm 的紧密堆积的聚苯乙烯 (PS) 球体单层，随后通过 O2 等离子体减小球体尺寸。 20 纳米厚的溅射银薄膜沉积在图案化的基板上。样品通过 HF、H2O2 和去离子水（HF =5 M 和 H2O2 =0.176 M）的混合溶液在 25°C 下蚀刻 15 分钟。分别用四氢呋喃 (THF) 和 HNO3 溶液去除残留的 PS 球和 Ag 薄膜后，获得大面积有序 Si NW 阵列。合成产物通过场发射扫描电子显微镜（FESEM，JEOL，JSM-6700F）和高溶液透射电子显微镜（HRTEM，JEOL，JEM-2100F）进行表征。}

为了研究 Si NW 的电传输和光敏特性，如下制造基于 Si NW 的器件。电极结构是通过传统光刻法在具有 360 nm 厚 Si 氧化物的高掺杂 n 型 Si (100) 衬底（0.001-0.006 Ω cm）上制造的。电极材料在顶部热蒸发 Pt (40 nm)/钛 (15 nm)。电极之间的间隙约为 2 μm。通过 5 分钟的超声处理将蚀刻后的 Si NW 阵列从基板上移除并分散在异丙醇 (IPA) 溶液中。如图 1 所示，将一滴 Si NWs 悬浮液滴在由直流电场施加的预定义金属电极的顶部。在对准过程中，源电极连接到地电平，而漏电极被正偏或负偏压，如图1所示。

通过 DC-DEP 在 Pt 电极上进行 Si NW 对齐的示意图。如a所示，漏电极正负偏压 和 b ， 分别。源极接地

基于 Si NW 的器件的电传输特性由探针台使用系统源表 (Keithley 2612A) 进行。强度为 825 mW/cm ² 的宽带白光 电弧汞氙灯垂直显示在器件上，并记录相应的光响应特性。

结果与讨论

图 2a、b 分别显示了通过 MACE 结合 NSL 的 Si NW 阵列的平面图和横截面 SEM 图像。具有均匀几何形状的 Si NW 的直径在 150 到 200 纳米之间，长度在 5 到 6 微米之间。图 2c 显示了单个 Si NW 的 TEM 图像，它是单晶结构，具有 [100] 的优先蚀刻方向，由图 2d 所示的清晰晶格图像证实。

一 顶视图和b 由 MACE 结合 NSL 制造的 Si NW 阵列的横截面 SEM 图像。 c 合成后的 Si NW 的 TEM 图像。 d 合成后的 Si NW 的原子分辨率 TEM 图像对应于 c 中的红色方块 .插图是Si NW的SAD模式

为了研究 Si NW 的电传输，金属-纳米线-金属结构中的基于硅纳米线的器件被制造为在 DEP 对准过程中将 + 0.5 V DC 施加到漏电极。从 SEM 图像可以清楚地看到跨越 Pt 电极的 Si NW 对齐的顶视图，如图 3 所示，其中 Si NW 彼此平行。可以通过 IPA 溶液中 NW 的浓度来控制对齐的 Si NW 的密度。使用两种不同的方法来测量器件的电特性。对于方法 1 测量，当电压通过从正极扫描到负极时施加到漏电极时，测量 I-V 曲线。对于方法 2 测量，当电压通过从负到正扫描施加到漏电极时测量 I-V 曲线。令人惊讶的是，这些器件具有整流行为，整流方向可由电压扫描方向确定，如附加文件 1：图 S1 所示。为了理解这种现象，通过向器件的漏电极施加不同范围的扫描电压来测量 I-V 曲线。扫描速率如图 4 所示。图 5a 显示了 IV 曲线是通过从 + 1 到 - 1 V、+ 2 到 - 2 V 和 + 3 到 - 3 V 的顺序，如图 5a 的插图所示。当器件在较宽的电压范围内测量时，它显示出更明显的整流行为。在图 5b 中，通过第二次从 + 1 到 - 1 V 向漏电极施加电压时，进一步测量了 I-V 红色曲线。 0.75 V 时的正向电流为 9.2 nA；反向电流约为 0.044 nA。通断电流比约为 200。发现与之前在相同电压范围内测量的 IV 黑色曲线相比，器件变得更加整流，如图 5a 所示，具有通断流动比率7.7。当电压从− 0.5 到 + 0.5 V、− 1 到 + 1 V、− 2 到 + 2 V 依次扫描时，也可以产生相反的整流 IV 曲线，如图所示图 5c 的插图。在图 5c 所示的较大扫描电压范围内，它还显示出更明显的整流行为。在图 5d 中，通过第二次从 - 0.5 到 + 0.5 V 扫描将电压施加到漏电极时，进一步测量了 I-V 红色曲线。通过与之前在图 5c 所示的相同电压范围内测量的 I-V 黑色曲线进行比较，可以观察到从非整流行为到整流行为的转变。上述 I-V 特性曲线表明，Si NW 基器件中的整流行为是在电测量过程中产生的，而不是 DEP 对准过程中产生的。此外，还发现可以通过电压扫描方向来确定整流方向。从非整流过渡到整流后，无论电压扫描方向如何，器件的整流方向都相同。

Pt 电极上平行排列的 Si NW 的 SEM 图像。 + 0.5 V DC 电压施加到 DC-DEP 对齐中的漏极

从负偏压到正偏压（黑线）和从正偏压到负偏压（红线）对漏电极的电压扫描率

跨 Pt 电极的平行 Si NW 的电学特性。 一 当通过从正偏压扫描到负偏压将电压施加到漏电极时，平行 Si NW 的 I-V 曲线，如插图所示。 Pt 电极上有 24 个平行的 NW。 b 在第一次扫描（黑线）和第二次扫描（红线）上测量的 I-V 曲线从 + 1 到 - 1 V。c 当通过从负偏压扫描到正偏压将电压施加到漏电极时，平行 Si NW 的 I-V 曲线，如插图所示。 Pt 电极上有 18 个平行的 NW。 d 在第一次扫描（黑线）和第二次扫描（红线）上测量的 I-V 曲线从 - 0.5 到 + 0.5 V

此外，当电压从+ 3 到- 3 V 和- 2 到+ 2 V 扫描时，可以清楚地看到锯齿状的I-V 曲线，分别如图5a、c 所示。这种现象可以用不对称焦耳热效应来解释，该效应源于当施加在 Pt 电极上的电压增加时流过 Si NW 的电流。不对称焦耳热效应是由电极之间的温度分布不均匀引起的，阳极区域的温度高于阴极区域[26]。对于 I-V 曲线测量，在 3 V 施加电压下的电流大约为几到几百纳安，如图 5 和附加文件 1 所示：图 S1，比参考文献中的小得多。 [26]。然而，Si NW 的直径约为 100 nm，远小于参考文献中器件的沟道宽度。 [26]。此外，由于纳米线只是通过 DEP 对准方法吸附在电极上，因此接触面积可能远小于纳米线的横截面。因此，NW 电极触点处的电流密度可能高到足以引起焦耳热。这也可以在将 + 3 和 - 3 V DC 施加到用于 Si NWs DEP 对准的漏电极之后看到，分别如图 6a、b 所示。两个图都表明，与阴极区相比，阳极区被熔化严重破坏。

一 在将 + 3 V DC 电压施加到用于 Si NW 对齐的漏电极之后，基于 Si NW 的器件的 SEM 图像。 b 在将 - 3 V DC 电压施加到用于 Si NW 对齐的漏电极之后，基于 Si NW 的器件的 SEM 图像。白色虚线为 DEP 对准前的电极边缘

当在还原气氛 (H2/Ar) 中测量器件的 IV 曲线时，如附加文件 2 所示，通过在大电压范围（从 - 3 到 3 V）中进行扫描无法获得整流特性：图 S2(a ）。 I-V 曲线是对称的且接近线性，这表明纳米线和两个电极之间的界面处只是一个小障碍。然而，Pt 和 n-Si 理论上可以在 Pt/n 型 Si 接触处形成肖特基势垒，因为 Pt 的功函数 (~ 6.1 eV) 大于 n 型 Si (~ 4.15 eV)。在这项研究中，纳米线只是通过 DEP 对准方法吸附在电极上。因此，势垒高度的变化可能是由于Si表面上的气体吸附。在大电压范围内扫描后，I-V 曲线的斜率增加，如附加文件 2：图 S2(b) 所示，这表明在还原气体中进行大电压范围扫描测量可以降低两个 NW 电极触点上的电阻。然而，含有 O2 和 H2O 的空气是一种氧化气氛。在空气中，Si在高温下的氧化率高于低温下的氧化率。因此，我们可以推断，对于空气中的大电压范围扫描测量，阳极区势垒高度的增加是由于形成了薄的氧化 SiO x 界面层，显示出电子俘获位点。

图 7 显示了基于 Si NW 的器件在不对称焦耳加热处理之前和之后的能带示意图。最初，Pt 和 n-Si 在 DEP 对齐后在 NW 的两端形成小的相等的势垒高度。当通过从正到负（方法 1）或负到正偏压（方法 2）向漏电极施加电压时，由于焦耳不对称，高温阳极侧的势垒高度将同时调整加热效果。换句话说，正如我们从图 5 所示的整流 I-V 特性推导出的那样，势垒高度将增加并主导器件的整流行为。

DC-DEP 对齐后的 n 型 Si/Pt 触点的能带示意图（顶部中心）。该器件经历了非对称焦耳加热过程，因为通过从方法 1 中的正偏压扫描到负偏压（左）或方法 2 中从负偏压扫描到正偏压（右）将电压施加到漏电极上

在这种情况下，为了研究基于整流硅 NW 的器件的光敏特性，使用强度为 825 mW/cm ² 的宽带白光 垂直显示在设备上，同时记录了相应的光响应特性，如图 8a 所示。图 8b 显示了该器件在黑暗（黑色曲线）和宽带白光照射（红色曲线）下的 I-V 曲线。它表明可以感应光电流，并且当器件表现出如图 8b 插图所示的反向 I-V 特性时，可以获得更高的灵敏度。当器件通过打开和关闭暴露在白光下时，研究了与时间相关的光响应行为。如图 8c 所示，在正向偏置模式下，器件在 + 0.75 V 的白光激发下，电流在 15 秒内从 20 nA 增加到 35 nA，仅提高了 75%。当白光关闭时，电流在 30 秒内下降到初始值。另一方面，当器件在 - 0.75 V 的反向偏置模式下进行白光激发时，如图 8d 所示，电流在 64 ms 内从 40 pA 突然增加到 430 pA，增加了 13 倍大于正向偏置模式下的器件。此外，当白光关闭时，电流从饱和状态下降到初始值仅 48 ms，可以观察到更高的恢复率。

一 在强度为 825 mW/cm ² 的白光照明下，基于 Si NW 的传感器示意图 . b 基于Si NW的传感器在暗光和白光照射下的I-V曲线。插图以半对数标度显示相应的 I-V 属性。 c 在白光照明下，通过打开和关闭，在正向偏置模式下，基于 Si NW 的传感器在 + 0.75 V 下的时间分辨光响应。 d 通过打开和关闭，在白光照明下反向偏置模式下 - 0.75 V 下基于 Si NW 的传感器的时间分辨光响应。制备的装置与图 5a、b

在光响应性能方面，上述结果的差异可以解释如下。当器件处于正向偏置模式时，耗尽区宽度会减小并增强电流，从而导致对白光的敏感性降低。然而，相比之下，反向偏置模式的器件具有较大的耗尽区，其中存在强内置电场。在白光照射下，光生电子和空穴可以有效分离，降低电子-空穴复合率，从而导致自由载流子密度的突然增加。因此，整流器件具有高响应率特性。然而，在之前的研究 [27, 28] 中，通过选择各种电极材料来制造具有一个欧姆接触电极和另一个肖特基接触电极的整流装置。在这项研究中，使用了一种简单的制造工艺。介电泳排列形成的NW器件的整流行为仅通过电测量过程中的不对称焦耳加热获得。

结论

总之，通过使用 DC-DEP 方法在 Pt 电极上对齐单晶 Si NW 来制造基于 Si NW 的器件。可以得到这些器件的整流I-V特性，可以通过电压扫描方向来确定整流方向。这种现象可能与电测量过程中产生的不对称焦耳热效应有关。由于耗尽区中强内置电场的有效电子-空穴分离，反向偏置模式的整流器件可以实现高速和高光响应。这种基于整流硅纳米线的器件可用于光电探测器和其他应用，如逻辑门或传感器。