[論文レビュー] Electrical contacts to nanotubes and nanowires: why size matters

François Léonard, A. Alec Talin|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2006

Surface and Thin Film Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、電気的接触における一次元的ナノチューブおよびナノワイヤの特性が、制限されたデバイューション幅と特異な状態密度に起因し、バルク金属-半導体接触とは根本的に異なることを示している。シュットキー障壁が顕著に低下し、フェルミ準位ピンナップ効果が弱まり、40 nm未満の直径では従来のオーミック接触のための高濃度ドーピング戦略が失敗することが明らかになった。その結果、ナノワイヤのサイズが小さくなるに従い接触抵抗が急激に増加する。

ABSTRACT

Metal-semiconductor contacts play a key role in electronics. Here we show that for quasi-one-dimensional structures such as nanotubes and nanowires, side contact with the metal only leads to weak band re-alignement, in contrast to bulk metal-semiconductor contacts. Schottky barriers are much reduced compared with the bulk limit, and should facilitate the formation of good contacts. However, the conventional strategy of heavily doping the semiconductor to obtain ohmic contacts breaks down as the nanowire diameter is reduced. The issue of Fermi level pinning is also discussed, and it is demonstrated that the unique density of states of quasi-one-dimensional structures makes them less sensitive to this effect. Our results agree with recent experimental work, and should apply to a broad range of quasi-one-dimensional materials.

研究の動機と目的

• 準一次元的(Q1D)ナノ構造、たとえばナノチューブやナノワイヤにおける接触特性が、従来のバルク金属-半導体接合とどのように異なるかを理解すること。
• オーミック接触を達成するための従来の接触設計戦略、特に高濃度ドーピングの限界を、ナノスケール材料において調査すること。
• バンド湾曲とフェルミ準位ピンナップがQ1D系に果たす役割、特にその特異な状態密度と関連して分析すること。
• ナノワイヤの直径が接触抵抗に与える影響を定量的に評価すること、特にシュットキー障壁を通過するトンネル効果が支配的である場合に注目すること。
• 広範なQ1D材料に適用可能な一般的な理論的枠組みを提供し、実験的観察と基礎的物理学を統合すること。

提案手法

• ナノチューブには円筒幾何学、ナノワイヤには実心円筒幾何学を用いて側面接触をモデル化し、金属-半導体界面の距離を固定して0.3 nmとする。
• 自己無撞撃的計算によりバンド湾曲とシュットキー障壁の形成を決定し、トンネル確率にはWKB近似を適用する。
• カーボンナノチューブの直径依存性バンドギャップ関係 $ E_g = 2a\gamma/d $ を用いて、シュットキー障壁高さとナノ構造の直径との関係を導出する。
• 金属誘起ギャップ状態(MIGS)がフェルミ準位ピンナップに与える影響を、Q1D系とバルク系における必要な状態密度 $ D_0 $ を比較することで評価する。
• 接触コンダクタンスを $ G \sim \int T(E) (-\partial f/\partial E) dE $ で計算し、直径に応じた正規化抵抗 $ G_\infty / G $ を算出する。
• 電荷密度比 $ \sigma_{NW}/\sigma_{bulk} \propto (2\pi N_v^{1/3}\beta)/(m^*kT) $ を用いて、Q1D系ではバルクと同等のピンナップ効果を得るためには約100倍のピンナップ状態が必要であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノチューブおよびナノワイヤの次元が低下することで、バルク金属-半導体接触と比較してシュットキー障壁形成にどのような影響を与えるか？
• RQ2 なぜ40 nm未満の直径のナノワイヤでは、オーミック接触を達成するための従来の高濃度ドーピング戦略が失敗するのか？
• RQ3 準一次元的ナノ構造では、バルクと比較してフェルミ準位ピンナップがどの程度抑制されるのか？
• RQ4 ナノワイヤの状態密度におけるヴァン・ホーフェ・特異点がピンナップ状態への感受性を低減する役割を果たすのか？
• RQ5 トンネル効果が支配的伝導メカニズムである場合、ナノワイヤの直径が小さくなるに従い、正規化接触抵抗はどのようにスケーリングするか？

主な発見

• 制限されたデバイューション幅に起因する弱いバンド湾曲により、ナノチューブおよびナノワイヤにおけるシュットキー障壁はバルク限界と比較して顕著に低減されている。
• ナノワイヤでは、シュットキー障壁が最小化される直径範囲が存在し、特定のサイズで最適な接触特性が得られる。
• Q1D構造ではフェルミ準位ピンナップが抑制されている：ピンナップを観測するには0.1状態/(原子・eV)の状態密度が必要であるが、バルク系ではわずか0.002にとどまる。
• ナノワイヤの直径が40 nm未満に減少するに従い、接触抵抗は急激に増加する。これは、高濃度ドーピング $ 10^{19} \, \text{cm}^{-3} $ を施しても、トンネル距離の増加とトンネルエネルギー範囲の縮小が原因である。
• ナノワイヤにおけるピンナップに必要な電荷密度の比は、バルクと比較して100倍以上大きい。これはQ1D系におけるバンド端付近の状態密度の発散に起因する。
• 理論的モデリングにより、従来のバルク接触モデルがナノスケール系では不適切であることが確認され、ナノエレクトロニクスにおける接触設計原則の再考が不可欠である。