[論文レビュー] Imaging ultrafast carrier transport in nanoscale devices using femtosecond photocurrent microscopy

Byung-Hee Son, Jaeku Park+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2014

Nanowire Synthesis and ApplicationsEngineering参考文献 39被引用数 19

ひとこと要約

本研究では、時間分解ポンププローブ法と走査光電流イメージングを組み合わせたフェムト秒光電流顕微鏡技術を導入し、半導体ナノワイヤーやカーボンナノチューブなどの一次元ナノスケールデバイスにおける超高速キャリア輸送を可視化する。主な発見は、ショットキー準位の電界が強化されることで、負のゲートバイアスが増加するにつれてキャリア移動時間の短縮が生じ、10^6 m/sに達するキャリア速度を100 fs未塔の時間スケールで直接測定可能であるということである。

ABSTRACT

One-dimensional nanoscale devices, such as semiconductor nanowires (NWs) and single- walled carbon nanotubes (SWNTs), have been intensively investigated because of their potential application of future high-speed electronic, optoelectronic, and sensing devices. To overcome current limitations on the speed of contemporary devices, investigation of charge carrier dynamics with an ultrashort time scale is one of the primary steps necessary for developing high-speed devices. In the present study, we visualize ultrafast carrier dynamics in nanoscale devices using a combination of scanning photocurrent microscopy and time- resolved pump-probe techniques. We investigate transit times of carriers that are generated near one metallic electrode and subsequently transported toward the opposite electrode based on drift and diffusion motions. Carrier dynamics have been measured for various working conditions. In particular, the carrier velocities extracted from transit times increase for a larger negative gate bias, because of the increased field strength at the Schottky barrier.

研究の動機と目的

• 100 fs未塔の時間分解能を有するナノスケール電子デバイスにおける超高速キャリア輸送ダイナミクスを可視化すること。
• 一次元ナノ構造におけるキャリア移動時間および速度に及ぼす外部ゲートバイアスの影響を調査すること。
• 半導体ナノワイヤーおよび単層カーボンナノチューブにおけるドリフトおよび拡散支配のキャリア輸送を測定すること。
• 高空間・時間分解能を有するナノスケールでのキャリアダイナミクスを直接プローブする実験的手法を確立すること。
• ゲートバイアスによる電界調制とキャリア速度・輸送効率の変化の相関関係を明らかにすること。

提案手法

• 本研究では、ナノスケールデバイス内のキャリアを励起するためにフェムト秒レーザーパルスを用いた時間分解ポンププローブ構成を採用する。
• 走査光電流顕微鏡を用いて、ナノスケールの横方向分解能を有する光電流の空間的分布をマッピングする。
• ポンプパルスが金属電極付近で電子・正孔対を生成し、プローブパルスが時間遅れを変化させながら、その結果生じる一時的光電流を測定する。
• ゲート電圧を変化させることでショットキー準位における電界を調節し、キャリアドリフト速度の制御を可能にする。
• ポンプ励起と光電流ピーク応答との時間遅れから移動時間を抽出する。
• 測定された移動時間と既知のデバイス長さからキャリア速度を計算し、電界依存の輸送ダイナミクスを明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるゲートバイアス下でのナノスケールデバイスにおけるキャリア移動時間はどのように変化するか？
• RQ2 ショットキー準位の電界がナノワイヤーやカーボンナノチューブにおけるキャリアドリフト速度をどのように制御するか？
• RQ3 フェムト秒光電流顕微鏡を用いることで、キャリア輸送ダイナミクスを空間的・時間的に分解能をもって解明できるか？
• RQ4 ドリフトおよび拡散機構は、一次元ナノ構造におけるキャリア輸送にどの程度寄与しているか？
• RQ5 印加されたゲート電圧は、ナノスケールフィールド効果デバイスにおける有効キャリア速度にどのように影響するか？

主な発見

• ナノスケールデバイスにおけるキャリア移動時間が、負のゲートバイアスが増加するにつれて短縮され、キャリア輸送効率の向上を示している。
• 測定されたキャリア速度は最大で約10^6 m/sに達し、高電界下でのドリフト支配輸送と整合的である。
• ゲートバイアスに伴うキャリア速度の増加は、ショットキー準位における電界強化によりキャリアが加速されることに起因する。
• 本技術は100 fs未塔の時間分解能を達成し、超高速輸送プロセスの直接観察を可能にした。
• 光電流の空間マッピングにより、励起位置と電極の相対的位置に依存した非対称なキャリア輸送行動が明らかになった。
• 結果から、ゲート電圧がナノスケールフィールド効果デバイスにおけるキャリア速度をチューナブルなパラメータとして制御可能であることが示された。