[논문 리뷰] Imaging ultrafast carrier transport in nanoscale devices using femtosecond photocurrent microscopy

Byung-Hee Son, Jaeku Park외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 02.

Nanowire Synthesis and ApplicationsEngineering참고 문헌 39인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 시간분 giải 펌프-프로브 기법과 스캐닝 광전류 영상 기법을 융합한 펌토세컨드 광전류 현미경 기법을 도입하여, 반도체 나노와이어 및 탄소 나노튜브와 같은 일차원 나노스케일 장치에서 초고속 실리콘 운반체 운반 동역학을 시각화한다. 주요 발견은 슈트키 고리에서 전기장이 강화되면서, 음성 게이트 바이어스가 증가할수록 실리콘 운반체 이행 시간이 감소함을 보여주며, 이는 10^6 m/s에 이르는 실리콘 운반체 속도를 100 fs 이내의 시간 스케일에서 직접 측정할 수 있음을 의미한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 100 fs 이내의 시간 해상도로 나노스케일 전자 소자에서 초고속 실리콘 운반체 운반 동역학을 시각화하기 위해.
• 일차원 나노구조에서 외부 게이트 바이어스가 실리콘 운반체 이행 시간과 속도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 반도체 나노와이어와 단일벽 탄소 나노튜브에서의 이동도 및 확산 주도 실리콘 운반체 운반 동역학을 측정하기 위해.
• 고공간-시간 해상도로 나노스케일에서 실리콘 운반체 운반 동역학을 직접 측정할 수 있는 실험적 방법을 수립하기 위해.
• 게이트 바이어스에 의한 전기장 조절이 실리콘 운반체 속도 및 운반 효율성 변화와 어떻게 관련되는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 연구는 나노스케일 장치에서 실리콘 운반체를 자극하기 위해 피코세컨드 레이저 펄스를 사용하는 시간분해 펌프-프로브 구성 기법을 활용한다.
• 스캐닝 광전류 현미경을 사용하여 나노스케일 수평 해상도로 광전류의 공간 분포를 매핑한다.
• 펌프 펄스는 금속 전극 근처에서 전자-정공 쌍을 생성하고, 프로브 펄스는 다양한 시간 지연 후에 발생하는 일시적 광전류를 측정한다.
• 게이트 전압을 변화시켜 슈트키 고리에서 전기장을 조절함으로써 실리콘 운반체 이동도 속도를 제어한다.
• 펌프 자극과 광전류 피크 반응 사이의 시간 지연으로부터 이행 시간을 추출한다.
• 측정된 이행 시간과 알려진 장치 길이로부터 실리콘 운반체 속도를 계산하여 전기장 의존 운반 동역학을 밝혀낸다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다른 게이트 바이어스 조건에서 나노스케일 장치에서 실리콘 운반체 이행 시간은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 슈트키 고리 전기장이 나노와이어 및 탄소 나노튜브에서 실리콘 운반체 이동도 속도를 어떻게 조절하는가?
• RQ3 펌토세컨드 광전류 현미경을 사용하여 초고속 실리콘 운반체 운반 동역학을 공간적·시간적으로 분해해 볼 수 있는가?
• RQ4 이동도 및 확산 메커니즘이 일차원 나노구조에서 실리콘 운반체 운반에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 적용된 게이트 전압이 나노스케일 필드효과 소자에서 효과적인 실리콘 운반체 속도에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 나노스케일 장치에서 실리콘 운반체 이행 시간은 음성 게이트 바이어스가 증가할수록 감소하여, 실리콘 운반체 운반 효율이 향상됨을 나타낸다.
• 측정된 실리콘 운반체 속도는 약 10^6 m/s에 도달하며, 고전기장 조건에서 이동도 주도 운반 동역학과 일치한다.
• 게이트 바이어스에 따른 실리콘 운반체 속도 증가는 슈트키 고리에서 전기장이 강화되어 실리콘 운반체가 가속화되기 때문으로 기인된다.
• 이 기법은 100 fs 이내의 시간 해상도로 실리콘 운반체 운반 동역학을 성공적으로 분해해 내어 초고속 운반 과정을 직접 관찰할 수 있게 한다.
• 광전류의 공간 맵핑은 광학적 자극 위치가 전극에 비해 상대적으로 위치함에 따라 비대칭적인 실리콘 운반체 운반 행동을 드러낸다.
• 결과적으로 게이트 전압이 나노스케일 필드효과 소자에서 실리콘 운반체 속도를 제어할 수 있는 조절 가능한 매개변수임을 입증한다.