[논문 리뷰] Micro-Raman and field emission studies of silicon nanowires prepared by metal assisted chemical etching

Vivek Kumar, Shailendra K. Saxena외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 28.

Nanowire Synthesis and Applications인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 금속 유도 화학 에칭(MACE)을 통해 합성된 실리콘 나노와이어(SiNWs)를 조사하여, 양자 구속 효과가 전자 필드 에미션의 터널링 필드를 감소시킴을 입증한다. 더 작은 지름을 가진 SiNWs는 필드 강화 요소가 증가하여 향상된 필드 에미션을 보이며, 1.8 nm SiNWs의 경우 7.8 V/μm의 터널링 필드를 기록하여 MACE가 고성능 필드 에미션 장치를 위한 저비용 방법임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 나노와이어(SiNWs)에서 양자 구속 효과가 필드 에미션 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 금속 유도 화학 에칭(MACE)을 통해 제작된 수직으로 정렬된 SiNWs의 필드 에미션 성능을 평가하기 위해.
• 결합 극성도 모델을 사용하여 SiNW 지름과 라만 스펙트럼 이동 및 필드 에미션 특성 간의 상관관계를 분석하기 위해.
• MACE가 고성능 SiNW 필드 에미터를 제작하기 위한 실현 가능하고 저비용 방법인지 확인하기 위해.
• SiNWs에서 폭-노르데임(Fowler-Nordheim, F-N) 행동의 이탈 원인을 분석하고, 양자 구속 및 반도체 성질로 인한 모델 수정의 필요성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 근접 실온에서 금속 유도 화학 에칭(MACE)을 사용하여 n-Si (100) 웨이퍼에 SiNWs를 합성하였다.
• 진동자기 구속 효과를 분석하기 위해 마이크로-라만 스펙트로스코피를 수행하였으며, 라만 피크 이동으로부터 SiNW 지름을 추정하기 위해 결합 극성도 모델(BPM)을 사용하였다.
• 250 μm 간격에서 전류-전압(I-V) 측정을 수행하여 필드 에미션 거동를 특성화하였다.
• Fowler-Nordheim(F-N) 방정식을 적용하여 ln(J/E²) 대 1/E의 F-N 도표에서 필드 강화 요소(β)와 일식함수(φ = 4.15 eV)를 추출하였다.
• 수직 정렬 및 SiNW 배열의 형태를 확인하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하였다.
• 일식함수를 4.15 eV로 가정하고, F-N 도표의 기울기를 통해 필드 강화 요소(β)를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MACE로 합성된 SiNWs의 지름이 그들의 필드 에미션 터널링 필드와 전류 밀도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 라만 스펙트럼 이동 및 넓어짐을 통해 입증된 양자 구속 효과가 SiNW 치수와 필드 에미션 성능 간에 어느 정도 상관관계를 가지는가?
• RQ3 왜 SiNWs의 F-N 도표는 비선형성을 보이며, 반도체 나노구조에서 표준 F-N 모델에 어떤 수정이 필요하는가?
• RQ4 MACE는 수직으로 정렬된 SiNWs를 제작하기 위해 고온 또는 진공 기반 방법의 실현 가능한 저비용 대안으로 간주될 수 있는가?
• RQ5 MACE로 성장한 배열에서 필드 강화 요소(β)는 SiNW 지름 감소에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• MACE로 합성된 SiNWs는 횡단면 SEM 영상로 전체 웨이퍼에 걸쳐 수직 정렬이 이루어져 있음을 확인하였다.
• 마이크로-라만 스펙트로스코피를 통해 양자 구속으로 인해 Si의 온도 센서 피크가 하향 이동하고 비대칭적으로 넓어지는 현상을 관찰하였으며, 피크 이동을 통해 결합 극성도 모델을 사용하여 SiNW 지름을 추정하였다.
• SiNW 지름 감소에 따라 터널링 필드가 감소함을 확인하였다: 2.2 nm SiNWs(S2)의 경우 8.9 V/μm, 1.8 nm SiNWs(S3)의 경우 7.8 V/μm이며, 3.7 nm SiNWs(S1)의 경우 측정 가능한 터널링 필드가 없었다.
• 필드 강화 요소(β)는 지름 감소에 따라 크게 증가하였다: S1(3.7 nm)의 경우 1140, S2(2.2 nm)의 경우 2508, S3(1.8 nm)의 경우 4223로, 더 작은 끝부분에서 필드 집중이 강화됨을 시사하였다.
• 비선형적인 F-N 도표가 관찰되어 표준 폭-노르데임 이론이 반도체 및 양자 구속 나노구조에 대해 제한이 있음을 시사하였으며, 이는 모델 수정의 필요성을 암시하였다.
• 본 연구는 MACE가 고성능 필드 에미션 성능을 갖는 수직 정렬 SiNW 배열을 제작하기 위한 단순하고 저비용이며 확장 가능한 방법임을 확인하였다. 특히 지름이 작은 경우에 뛰어난 성능을 보였다.