[論文レビュー] Micro-Raman and field emission studies of silicon nanowires prepared by metal assisted chemical etching

Vivek Kumar, Shailendra K. Saxena+4 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2014

Nanowire Synthesis and Applications被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、金属助剤化学エッチング（MACE）を用いて合成されたシリコンナノワイヤー（SiNWs）を対象とし、量子閉じ込め効果が電子場発射の起動電場を低下させることを示した。より小さな直径のSiNWsは、場強度増幅要因の増大により発射性能が向上し、1.8 nmのSiNWsでは7.8 V/μmの起動電場を示した。これは、高性能場発射素子のための低コストな手法であるMACEの有効性を示している。

ABSTRACT

Micro-Raman scattering and electron field emission characteristics of silicon nanowires (SiNWs) synthesized by metal assisted chemical etching (MACE) are investigated. Scanning electron microscopy images reveal the growth of well aligned vertical SiNWs. Raman shift and size relation from bond-polarizability model has been used to calculate exact confinement sizes in SiNWs. The Si optical phonon peak for SiNWs showed a downshift and an asymmetric broadening with decreasing diameter of the SiNWs due to quantum confinement of optical phonons. The field emission characteristics of these SiNWs are studied based by carrying out current-voltage measurements followed by a theoretical analysis using Fowler-Nordheim equation. The electron field emission increased with decreasing diameter of SiNWs. Field emission from these SiNWs exhibits significant enhancement in turn-on field and total emission current with decreasing nanowire size. The reported results in the current study indicate that MACE is a simple technique to prepare well-aligned SiNWs with potentials for applications in field emission devices.

研究の動機と目的

• シリコンナノワイヤー（SiNWs）における量子閉じ込め効果が場発射特性に与える影響を調査すること。
• 金属助剤化学エッチング（MACE）を用いて作製された垂直配向SiNWsの場発射性能を評価すること。
• ボンド極効率モデルを用いて、SiNW径とラマンスペクトルシフト、場発射特性の相関関係を明らかにすること。
• MACEが、高性能SiNW場発射素子を生産するための実用的で低コストな手法であるかどうかを検証すること。
• SiNWsにおけるFowler-Nordheim（F-N）則の非線形性の原因を分析し、量子閉じ込め効果および半導体的性質に起因するモデル修正の必要性を評価すること。

提案手法

• 常温に近い温度で金属助剤化学エッチング（MACE）を用いてn-Si（100）ウェーハ上にSiNWsを合成した。
• フォノン閉じ込め効果を分析するため、マイクロラマン分光法を実施し、ボンド極効率モデル（BPM）を用いてラマンピークシフトからSiNW径を推定した。
• 250 μmのギャップ距離を保ちながら、電流-電圧（I-V）測定を実施し、場発射特性を特徴づけた。
• Fowler-Nordheim（F-N）方程式を適用し、ln(J/E²) 対 1/E のF-Nプロットから場強度増幅要因（β）と仕事関数（φ = 4.15 eV）を抽出した。
• 走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて、SiNWアレイの垂直配向性および表面形態を確認した。
• F-Nプロットの傾きから、一定の仕事関数4.15 eVを仮定して場強度増幅要因（β）を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MACEで合成されたSiNWsの径が、その場発射の起動電場および電流密度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ラマンスペクトルのシフトおよび広がりによって示される量子閉じ込め効果は、SiNW径および場発射性能とどの程度相関しているか？
• RQ3 SiNWsのF-Nプロットに非線形性が観察される理由は何か？また、半導体的ナノ構造物に適した標準F-Nモデルの修正はどの程度必要か？
• RQ4 MACEは、高温または真空プロセスを要する方法に代わる、実用的で低コストな垂直配向SiNWsの作製法と見なせるか？
• RQ5 MACE成長アレイにおける場強度増幅要因（β）は、SiNW径の減少に伴いどのようにスケーリングするか？

主な発見

• MACEで合成されたSiNWsは、断面SEM像により、ウェーハ全体にわたり垂直配向していることが確認された。
• マイクロラマン分光法により、量子閉じ込め効果に起因するSiの光学フォノンピークのシフトおよび非対称的広がりが観察された。ピークシフトを用いてボンド極効率モデルによりSiNW径を推定した。
• 起動電場はSiNW径の減少に伴い低下した：2.2 nmのSiNWs（S2）では8.9 V/μm、1.8 nmのSiNWs（S3）では7.8 V/μmを示し、3.7 nmのSiNWs（S1）では測定可能な起動電場は観測されなかった。
• 場強度増幅要因（β）は径の減少に伴い顕著に増加した：S1（3.7 nm）では1140、S2（2.2 nm）では2508、S3（1.8 nm）では4223を示し、より小さな先端部で強い場強度局在が生じていることが示された。
• 非線形なF-Nプロットが観察された。これは、半導体的・量子閉じ込めナノ構造物に標準Fowler-Nordheim理論を適用する際の限界を示しており、モデルの修正が不可欠であることを示唆した。
• 本研究では、MACEが、特に小さな径のSiNWsで優れた場発射性能を示す垂直配向SiNWアレイを生産するための単純で低コストかつスケーラブルな手法であることが確認された。