[논문 리뷰] Gunn Effect in Silicon Nanowires: Charge Transport under High Electric Field

Daryoush Shiri, Amit Verma외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 06.

Semiconductor materials and interfaces참고 문헌 60인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 3.1 nm 지름의 실리콘 나노와이어(SiNWs)에 3% 인장 응력을 가하고 전기장 5000 V/cm를 적용했을 때, 음의 미분 저항성(NDR)을 특징으로 하는 건 효과(Gunn effect)가 처음으로 유도됨을 보여준다. DFT, 타이트버드(tight-binding), 그리고 엔semble 몬테카를로(simulations)를 사용하여 저자들은 응력이 NDR 발생을 가능하게 하고, 저항성의 2.3배 가량의 가역적 조절이 가능하다는 것을 보여주며, 이는 가변 주파수 마이크로파 오실레이터와 전기기계 센서 응용에 가능성을 열어준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 정상적으로 NDR에 필요한 작은 밴드 갭 분리가 없는 실리콘 나노와이어(SiNWs)에서 건 효과가 유도될 수 있는지 조사하기 위해
• 응력과 전기장이 SiNWs 내 에너지 밴드 간 전자 이동에 미치는 영향을 탐색하기 위해
• 음의 미분 저항성(NDR)의 발생 시점이 응력 공 ing을 통해 가역적으로 조절될 수 있는지 확인하기 위해
• SiNWs가 가변 주파수 마이크로파 오실레이터와 전기기계 센서 응용에 얼마나 가능성이 있는지 평가하기 위해

제안 방법

• 전자 밴드 구조 및 응력이 가해진 SiNWs의 효과 질량을 계산하기 위해 밀도함수이론(DFT)을 사용하였다.
• 원자 척도 정확도로 전자적 성질을 시뮬레이션하기 위해 반경험적 10 오비탈 $sp^{3}d^{5}s^{*}$ 타이트버드 모델을 적용하였다.
• 고전기장 하에서의 전하 이동을 모델링하기 위해 엔셈블 몬테카를로(EMC) 시뮬레이션을 사용하였다.
• 시뮬레이션은 응력에 의존하는 밴드 구조 변화와 전자 산란 메커니즘을 통합하여 I-V 특성을 예측하였다.
• NDR의 발생 시점을 관찰하기 위해 전기장을 체계적으로 변화시켰다.
• 저항성과 NDR 발생 시점에 대한 가역적 조절 효과를 평가하기 위해 응력을 3% 간격으로 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 밴드 갭 분리(~1 eV)를 가진 실리콘 나노와이어에서 건 효과가 유도될 수 있는가?
• RQ2 인장 응력은 SiNWs 내 하위밴드 간 에너지 밴드 정렬과 전자 이동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SiNWs에서 음의 미분 저항성(NDR)의 발생 시점이 응력에 의해 가역적으로 조절될 수 있는가?
• RQ4 응력은 NDR 없이 SiNWs의 저항성을 어느 정도 조절할 수 있는가?
• RQ5 응력이 가해진 SiNWs가 가변 주파수 마이크로파 오실레이터 또는 전기기계 센서로 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 3.1 nm 지름의 실리콘 나노와이어는 3% 인장 응력과 5000 V/cm 전기장 조건에서 건 효과가 성공적으로 유도되었다.
• I-V 특성에서 음의 미분 저항성(NDR)의 발생 시점은 외부 응력에 의해 가역적으로 조절 가능하다.
• 응력 조절을 통해 NDR가 발생하지 않는 정상 I-V 영역에서 SiNWs의 저항성이 2.3배 변화 가능하다.
• 고전기장 하에서 저효율 질량의 하위밴드에서 고효율 질량의 하위밴드로의 전자 이동이 NDR 효과의 근본 원인이다.
• DFT, 타이트버드, 엔셈블 몬테카를로 시뮬레이션의 조합은 실제 나노와이어 기하구조에서 이 효과의 실현 가능성과 안정성을 확인한다.
• 결과적으로 응력이 가해진 SiNWs는 가변 주파수 마이크로파 오실레이터와 나노기계 센서에서 활성 요소로 활용될 수 있다.