[論文レビュー] Gunn Effect in Silicon Nanowires: Charge Transport under High Electric Field

Daryoush Shiri, Amit Verma+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2017

Semiconductor materials and interfaces参考文献 60被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、3.1 nmの直径を有するシリコンナノワイヤ（SiNWs）に3%の引張応力を加え、電界強度5000 V/cmの条件下で、負の微分抵抗（NDR）を特徴とするガン効果が初めて誘導されることを示した。DFT、タイトバインディング、およびアンサンブルモンテカルロシミュレーションを用いて、応力がNDRの発現を可能にし、抵抗率を2.3倍の要因で逆転可能に制御できることを示した。この特性は、可変周波数のマイクロ波オシレーターおよび電気機械的センサーへの応用を可能にする。

ABSTRACT

Gunn (or Gunn-Hilsum) Effect and its associated negative differential resistivity (NDR) emanates from transfer of electrons between two different energy bands in a semiconductor. If applying a voltage (electric field) transfers electrons from an energy sub band of a low effective mass to a second one with higher effective mass, then the current drops. This manifests itself as a negative slope or NDR in the I-V characteristics of the device which is in essence due to the reduction of electron mobility. Recalling that mobility is inversely proportional to electron effective mass or curvature of the energy sub band. This effect was observed in semiconductors like GaAs which has direct bandgap of very low effective mass and its second indirect sub band is about 300 meV above the former. More importantly a self-repeating oscillation of spatially accumulated charge carriers along the transport direction occurs which is the artifact of NDR, a process which is called Gunn oscillation and was observed by J. B. Gunn. In sharp contrast to GaAs, bulk silicon has a very high energy spacing (~1 eV) which renders the initiation of transfer-induced NDR unobservable. Using Density Functional Theory (DFT), semi-empirical 10 orbital ($sp^{3}d^{5}s^{*}$) Tight Binding (TB) method and Ensemble Monte Carlo (EMC) simulations we show for the first time that (a) Gunn Effect can be induced in narrow silicon nanowires with diameters of 3.1 nm under 3 % tensile strain and an electric field of 5000 V/cm, (b) the onset of NDR in I-V characteristics is reversibly adjustable by strain and (c) strain can modulate the value of resistivity by a factor 2.3 for SiNWs of normal I-V characteristics i.e. those without NDR. These observations are promising for applications of SiNWs in electromechanical sensors and adjustable microwave oscillators.

研究の動機と目的

• シリコンナノワイヤがNDRに必要な小規模なバンドギャップ分裂を欠いているにもかかわらず、ガン効果が誘導可能かどうかを調査すること。
• 応力および電界がSiNWs内のエネルギー準位間の電子移動に果たす役割を調査すること。
• 負の微分抵抗（NDR）の発現が、応力工学によって逆転可能に制御可能かどうかを特定すること。
• SiNWsが可変周波数マイクロ波オシレーターおよび電気機械的センサーへの応用において、どのような可能性を有するかを評価すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）を用いて、応力のかかったSiNWsの電子バンド構造および有効質量を計算した。
• 原子スケールの精度で電子的性質をシミュレートするために、半経験的10軌道 $sp^{3}d^{5}s^{*}$ ティットバインディングモデルを採用した。
• 高電界下での電荷輸送をモデル化するために、アンサンブルモンテカルロ（EMC）シミュレーションを用いた。
• シミュレーションでは、応力に依存するバンド構造の変化および電子散乱メカニズムを組み込み、I-V特性を予測した。
• 電界強度を系統的に変化させ、I-V曲線におけるNDR発現の閾値を観察した。
• 応力を3%のステップで変化させ、抵抗率およびNDR発現の逆転可能制御効果を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンナノワイヤが約1 eVの大きなバンドギャップ分離を示すにもかかわらず、ガン効果が誘導可能か？
• RQ2 引張応力がSiNWs内の準位間のエネルギー準位の整合性および電子移動にどのように影響するか？
• RQ3 SiNWsにおける負の微分抵抗（NDR）の発現が、応力によって逆転可能に制御可能か？
• RQ4 NDRが発現しない状態において、応力が抵抗率をどの程度変化させられるか？
• RQ5 応力のかかったSiNWsが、可変周波数マイクロ波オシレーターまたは電気機械的センサーとして使用可能か？

主な発見

• 3.1 nmの直径を有するシリコンナノワイヤは、3%の引張応力および5000 V/cmの電界強度の下で、ガン効果が成功裏に誘導された。
• I-V特性における負の微分抵抗（NDR）の発現が、印加応力によって逆転可能に制御可能であることが確認された。
• 応力調製により、NDRが発現しない通常のI-V領域においても、SiNWsの抵抗率が2.3倍変化可能である。
• NDR効果は、高電界下で低有効質量準位から高有効質量準位への電子移動に起因する。
• DFT、タイトバインディング、およびアンサンブルモンテカルロシミュレーションの組み合わせにより、現実的なナノワイヤ幾何形状におけるこの効果の実現可能性および安定性が確認された。
• 結果から、応力のかかったSiNWsは、マイクロ波オシレーターおよびナノメカニカルセンサーにおける可変アクティブ素子として利用可能であると示唆された。