Si納米線器件及其研究進展

彭英才，張志剛，李俊穎，婁建忠

（河北大學電子信息工程學院，河北保定 071002）

學科綜述

Si納米線器件及其研究進展

彭英才，張志剛，李俊穎，婁建忠

（河北大學電子信息工程學院，河北保定 071002）

Si納米線是一種新型的準一維納米半導體材料，具有獨特的電子輸運特性、場發射特性和光學特性等.本文對利用Si納米線制備的各類電子器件，例如存儲器、場效應晶體管、化學傳感器和太陽能電池的研究進展做了簡要評述.最后，對Si納米線的應用前景進行了初步展望.

Si納米線；納米線器件；研究進展

近10余年來，各類納米線的制備方法、結構表征、物理性質及其新型器件應用的研究，已成為納米光電子技術領域一個熱點課題［1－3］.這是由于Si納米線所呈現出的的小直徑尺寸、能級分立特性、大的表面／體積比、二維量子限制效應，使其具有許多顯著不同于其他低維半導體材料的電學、光學、磁學以及力學等新穎物理性質［4－7］，尤其是Si納米線與現有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射特性，可以制成高性能場致發射器件［8］；利用摻雜Si納米線所具有的庫侖阻塞性質，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，可以制作高效率發光器件［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，可以制作高轉換效率太陽能電池［11］.隨著Si納米線制備技術的日益成熟，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構參數，從而可以滿足多種納米線器件制作的需要.另外，通過對Si納米線進行p型或n型摻雜可以形成多種p－n結，這就進一步拓寬了Si納米線在量子器件中的應用范圍，因而對納米電子器件的發展具有重要意義.Si納米線器件的最終實現，主要取決于能否精確控制和調節其直徑尺寸、化學組分、表面性質、結晶性能以及器件結構的合理設計［12］.本文簡要介紹了近年來Si納米線器件的最新研究進展，并對其發展前景進行了初步預測.

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，要求器件應具有穩定的存儲時間和較快的反應速度，并能夠實現良好的讀／寫功能.利用摻雜Si納米線的庫侖阻塞效應，可以實現單電子存儲元件的制作.研究發現，在Si納米線存儲器件中，精確控制Si納米線尺寸可以優化諸如可逆性、讀寫速度、編程延時和存儲時間等一系列相關參數［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，在其漏電流與頂柵電壓關系曲線中觀察到明顯的電滯回線.當側柵電壓處于零偏時，得到的閾值電壓漂移值約為2.2 V，而且器件存儲時間能夠穩定在108s.Zhu等［15］通過一種自對準工藝制備了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.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／關電流變換系數為107.當頂柵和背柵電壓為零偏時，柵極漏電流在105s范圍內下降約1個數量級，其結果如圖1所示.開關態的存儲時間約為3×105s，該時間長短主要與Hf O2晶粒間界中產生的漏電流有關.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的復合作用，使得納米浮柵存儲器呈現出了優異的存儲特性，其閾值電壓漂移值為5.4 e V，存儲有效時間約為5×104s.

2.2 Si納米線場效應晶體管

利用摻雜Si納米線的多導電通道和高電子遷移率特性，可以制備性能優良的Si納米線場效應晶體管（FET），通過控制Si納米線的長度、直徑、摻雜濃度等參數，能夠有效調節晶體管的導電溝道和串聯電阻.Lee等［17］報道了淺注入p－Si納米線場效應晶體管的電學特性.當Si納米線場效應晶體管中空穴濃度為1.7×1017cm－3時，場效應遷移率達到0.4 cm2／（V·s）.當UDS＝1 V時，場效應晶體管的開關電流比約為103.開關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）和雙軸拉伸應變絕緣體硅（SSOI）中合成的Si納米線FET.實驗仿真分別得到了二者的導通電流、跨導以及載流子遷移率.Si納米線FET的開關電流比高達107，而關閉電流僅為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納米線場效應晶體管的導通電流對稱性更好，載流子遷移率也更高.

Huang等［19］利用催化反應，在Si3N4／Si襯底上制備了Si納米線場效應光電晶體管.圖2是由藍光發射二極管（LED）作為激發光源時，測得的光電晶體管的ID－UDS特性曲線.當LED開啟電壓達到2.7 V時，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UG＝6 V和UDS＝30 V時，IDS＝43μA.進一步增大光照強度，能夠明顯提高溝道電流值.當采用紅光LED光源時，結果顯示光電晶體管的電流增益遠小于在藍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關系曲線Fig.1 I－T transfer curve of the NVM

圖2 藍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納米線場發射器件

場發射是利用強電場使固體表面勢壘降低并變窄，當納米線層的表面勢壘寬度窄到可與電子波長相比擬時，部分高能電子由于隧穿效應穿透表面勢壘而進入真空.一維Si納米線納米結構的特定形貌使其能夠產生足夠大的場增強因子，從而使得外加電場不太高時也能獲得良好的電子場發射特性.Xu等［20］利用納米球刻蝕結合熱氧化技術制作了高度有序的納米線層，并對其場發射特性進行了測量.實驗結果如圖3所示，器件起始發射電流密度為1μA／cm2時的閾值場強為7～8 V／μm.經過時間為3 min的活性離子腐蝕工藝處理后，其發射電流密度達到70μA／cm2，對應的閾值場強為12 V／μm.器件的場增強因子高達850，遠高于同類材料制作的場發射器件.Chueh等［21］通過對生長在（001）Si襯底上的高密度FeSi2納米量子點進行高溫退火處理，合成了具有場強發射特性的類圓錐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，發射電流密度達到0.01 m A／cm2時的閾值場強為6.3～7.3 V／μm，而發射電流密度達到10 m A／cm2時的閾值場強為9～10 V／μm.Xiong等［22］實驗研究了以Au為催化劑和以SiH4為源氣體，在753 K溫度下生長的單晶Si納米線的場發射特性.當發射電流密度達到1 m A／cm2時的閾值場強為3.4 V／μm，而發射電流為0.01 m A／cm2時的閾值場強為21 V／μm.Lu等［23］采用化學氣相沉積模版法制備了平均直徑為50 nm的Si納米線陣列，并研究了其場發射特性.當納米線在電場中發射出0.01 m A／cm2的電流密度時，所對應的閾值場強為14 V／μm.可以認為，該Si納米線陣列的場發射是由Si納米線的生長尖端及其定向生長引起的.對硼摻雜Si納米線的場發射特性進行了測量，當電場中發射出0.01 m A／cm2的電流密度時，對應的閾值電場為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，這說明摻雜Si納米線比本征Si納米線有著更好的場致發射特性.

2.4 Si納米線傳感器

準一維結構Si納米線具有很大的表面／體積比和很高的表面化學活性，因此對某些特定的外界物質具有敏感的響應特性［24］.利用外加介質引起Si納米線電阻變化，可以實現傳感器檢測.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中進行測試發現，納米線吸附NO2后，電導率增加15%，器件反應靈敏度為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行檢測，結果如圖4所示.當測試樣品濃度為0.1 pmol／L時，Si NWs的電阻變化幅度為13%.而當測試樣品濃度下降為0.05 pmol／L和0.01 pmol／L時，電阻值變化幅度分別為11%和9%，且響應時間均在60 min以內.Ajay等［27］采用標準的由上至下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（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.器件電導隨溫度呈線性變化關系，溫度測量的標準誤差維持在85 ps.利用Si納米線電阻變化特性制備的超靈敏壓阻式應變傳感器最近由Marta等所報道［28］.該傳感器的主要特點是實現了將水平生長的Si納米線層僅固定于機械活動懸臂中軸的一側，因此能精確檢測由懸臂轉向產生的拉伸或壓縮應力導致的電阻變化值，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，其傳導靈敏度約為105m－1，比傳統的體Si壓阻懸臂傳感器靈敏度高1個數量級.

圖3 發射電流密度與閾值電場間的關系Fig.3 Dependence of the field emission current

圖4 傳感器電阻隨樣品濃度變化關系 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構太陽能電池中具有潛在的應用，這是由于在Si納米線結構中原子具有定向的有序生長，因此可以提高其結晶質量，有效減少其中的陷阱態密度，從而使太陽能電池的轉換效率得以提高［11］.美國IBM貝爾實驗室［29］最新研制出一種核／殼結構Si納米線太陽電池，結構如圖5 a所示.實驗測試結果如圖5 b所示，Si納米線內量子效率在波長為900 nm時處于60%～80%內，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合效應比等價的平面器件更為明顯.淀積Al2O3作為鈍化層后，最大量子轉換效率從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Si納米線層電池單元.實驗測量和計算結果顯示，Si納米線層在300～1 000 nm波譜范圍內平均反射率＜5%，納米線層與金屬電極間的接觸電阻只有0.85Ω／cm2，較好地實現了兩者的歐姆接觸.有源區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，光電轉換效率達到13.7%.

圖5 納米線p－n結太陽能電池結構a和內量子效率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混合異質結太陽能電池，并在AM1.5光照下對該電池進行了仿真測試.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，FF＝0.39和η＝1.91%.該結果說明，Si納米線混合太陽電池的光伏性能有了很大改善，主要歸因于以下2點：1）是SiNWs減小了太陽電池的串聯電阻，提供了增加光生載流子收集的快速運輸通道.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］結合Si納米線和雙壁碳納米管制備了混合異質結光電化學太陽電池，采用40%的HBr和3%的Br2混合溶液作為氧化還原電解液.實驗比較了不同Si納米線密度和有無電解液對太陽電池的I-U特性和轉換效率的影響.結果指出，該太陽能電池的Jsc＝10.5 m A／cm2，Uoc＝0.5 V，FF＝0.25，η＝1.29%.與同類太陽電池相比較，性能參數提高的原因主要是：1）高密度Si NWs／CNNT異質結擁有更低的反射率，能夠產生更多的光生載流子；2）氧化還原電解液的存在填補了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.

3 結束語

Si納米線器件所展示的良好的應用前景，啟示人們應對此進行進一步探索.作為其未來發展，以下幾個方面應值得重視：1）在理論上應深入揭示Si納米線這類準一維納米結構所具有的優異電子輸運特性和光電子特性，這就需要對其的電子結構、價鍵狀態以及結晶取向等進行理論計算與特性模擬；2）制作任何新型器件，摻雜材料的制備必不可少，如何對Si納米線進行有效摻雜，使其呈現出預期的n型和p型摻雜性質，這就需要在雜質選取和摻雜方法等方面進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.為了能使之付諸器件應用，有序Si納米線生長至關重要，因此，需要開發出制備有序Si納米線的工藝技術；4）現有的Si納米線器件在器件結構上還存在可以進一步優化的空間，因為器件結構直接關系到器件的應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

河北省自然科學基金資助項目（E2008000626）

彭英才（1948－），男，河北曲陽人，河北大學教授，博士生導師，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）