Si纳米线器件及其研究进展

彭英才，张志刚，李俊颖，娄建忠

（河北大学电子信息工程学院，河北保定 071002）

学科综述

Si纳米线器件及其研究进展

彭英才，张志刚，李俊颖，娄建忠

（河北大学电子信息工程学院，河北保定 071002）

Si纳米线是一种新型的准一维纳米半导体材料，具有独特的电子输运特性、场发射特性和光学特性等.本文对利用Si纳米线制备的各类电子器件，例如存储器、场效应晶体管、化学传感器和太阳能电池的研究进展做了简要评述.最后，对Si纳米线的应用前景进行了初步展望.

Si纳米线；纳米线器件；研究进展

近10余年来，各类纳米线的制备方法、结构表征、物理性质及其新型器件应用的研究，已成为纳米光电子技术领域一个热点课题［1－3］.这是由于Si纳米线所呈现出的的小直径尺寸、能级分立特性、大的表面／体积比、二维量子限制效应，使其具有许多显著不同于其他低维半导体材料的电学、光学、磁学以及力学等新颖物理性质［4－7］，尤其是Si纳米线与现有Si集成电路之间良好的工艺兼容和集成特性，使其成为制备Si基纳米器件及其集成电路的首选材料.例如：利用Si纳米线所具有的场发射特性，可以制成高性能场致发射器件［8］；利用掺杂Si纳米线所具有的库仑阻塞性质，可以制成单电子存储器件［9］；利用Si纳米线的显著的二维量子限制效应，可以制作高效率发光器件［10］；利用Si纳米线具有的大面积光吸收与直线电子传输特性，可以制作高转换效率太阳能电池［11］.随着Si纳米线制备技术的日益成熟，一定程度上能够控制Si纳米线的直径、尺寸与生长取向等结构参数，从而可以满足多种纳米线器件制作的需要.另外，通过对Si纳米线进行p型或n型掺杂可以形成多种p－n结，这就进一步拓宽了Si纳米线在量子器件中的应用范围，因而对纳米电子器件的发展具有重要意义.Si纳米线器件的最终实现，主要取决于能否精确控制和调节其直径尺寸、化学组分、表面性质、结晶性能以及器件结构的合理设计［12］.本文简要介绍了近年来Si纳米线器件的最新研究进展，并对其发展前景进行了初步预测.

2 Si纳米线器件

2.1 Si纳米线存储器件

纳米存储器件主要指利用纳米材料制备具有非易失性和大容量的存储器，要求器件应具有稳定的存储时间和较快的反应速度，并能够实现良好的读／写功能.利用掺杂Si纳米线的库仑阻塞效应，可以实现单电子存储元件的制作.研究发现，在Si纳米线存储器件中，精确控制Si纳米线尺寸可以优化诸如可逆性、读写速度、编程延时和存储时间等一系列相关参数［13］.Tsu等［14］采用电子束蚀剂工艺制备了平均线宽为15 nm和长度为400 nm的Si纳米线器件，该器件呈现出了良好的存储特性.室温下对Si纳米线器件仿真测量证实，在其漏电流与顶栅电压关系曲线中观察到明显的电滞回线.当侧栅电压处于零偏时，得到的阈值电压漂移值约为2.2 V，而且器件存储时间能够稳定在108s.Zhu等［15］通过一种自对准工艺制备了Si纳米线沟道非易失性存储元件，Si纳米线的直径为20 nm和长度为5～20μm.器件的沟道长度在2～6μm内.由于栅和HfO2层几乎完全包裹了Si纳米线，使得器件显示出了良好的栅控制特性，顶栅控制开启电压为6 V，开／关电流变换系数为107.当顶栅和背栅电压为零偏时，栅极漏电流在105s范围内下降约1个数量级，其结果如图1所示.开关态的存储时间约为3×105s，该时间长短主要与Hf O2晶粒间界中产生的漏电流有关.Yoon等［16］则研究了基于p－Si纳米线的纳米浮栅存储器，在其制作的Si纳米线周围钝化层中内嵌了Au纳米颗粒.由于Au纳米粒子对Si纳米线中的电子有很强的复合作用，使得纳米浮栅存储器呈现出了优异的存储特性，其阈值电压漂移值为5.4 e V，存储有效时间约为5×104s.

2.2 Si纳米线场效应晶体管

利用掺杂Si纳米线的多导电通道和高电子迁移率特性，可以制备性能优良的Si纳米线场效应晶体管（FET），通过控制Si纳米线的长度、直径、掺杂浓度等参数，能够有效调节晶体管的导电沟道和串联电阻.Lee等［17］报道了浅注入p－Si纳米线场效应晶体管的电学特性.当Si纳米线场效应晶体管中空穴浓度为1.7×1017cm－3时，场效应迁移率达到0.4 cm2／（V·s）.当UDS＝1 V时，场效应晶体管的开关电流比约为103.开关电流较小的主要原因是：1）未完全激活的B离子对载流子的散射作用；2）浅注入p－Si纳米线场效应晶体管源－漏接触间形成的高势垒作用.Feste等［18］分别研究了在绝缘体硅（SOI）和双轴拉伸应变绝缘体硅（SSOI）中合成的Si纳米线FET.实验仿真分别得到了二者的导通电流、跨导以及载流子迁移率.Si纳米线FET的开关电流比高达107，而关闭电流仅为10－13A.基于SOI和SSOI的FET，反向亚阈值斜率分别为80 m V／dec和65 m V／dec.与二维平面器件相比，Si纳米线场效应晶体管的导通电流对称性更好，载流子迁移率也更高.

Huang等［19］利用催化反应，在Si3N4／Si衬底上制备了Si纳米线场效应光电晶体管.图2是由蓝光发射二极管（LED）作为激发光源时，测得的光电晶体管的ID－UDS特性曲线.当LED开启电压达到2.7 V时，观察到光电晶体管中暗电流为2.4μA，IDS随UG的增加而增大.当UG＝6 V和UDS＝30 V时，IDS＝43μA.进一步增大光照强度，能够明显提高沟道电流值.当采用红光LED光源时，结果显示光电晶体管的电流增益远小于在蓝光照射下的电流增益，二者相差约30倍.

图1 非易失性存储器I－T关系曲线Fig.1 I－T transfer curve of the NVM

图2 蓝光照射下光电晶体管的I－U曲线 Fig.2 I－U curve under blue illumination

2.3 Si纳米线场发射器件

场发射是利用强电场使固体表面势垒降低并变窄，当纳米线层的表面势垒宽度窄到可与电子波长相比拟时，部分高能电子由于隧穿效应穿透表面势垒而进入真空.一维Si纳米线纳米结构的特定形貌使其能够产生足够大的场增强因子，从而使得外加电场不太高时也能获得良好的电子场发射特性.Xu等［20］利用纳米球刻蚀结合热氧化技术制作了高度有序的纳米线层，并对其场发射特性进行了测量.实验结果如图3所示，器件起始发射电流密度为1μA／cm2时的阈值场强为7～8 V／μm.经过时间为3 min的活性离子腐蚀工艺处理后，其发射电流密度达到70μA／cm2，对应的阈值场强为12 V／μm.器件的场增强因子高达850，远高于同类材料制作的场发射器件.Chueh等［21］通过对生长在（001）Si衬底上的高密度FeSi2纳米量子点进行高温退火处理，合成了具有场强发射特性的类圆锥Si纳米线，其直径为5～10 nm，长度为～6μm和占空比（长度与直径之比）为150～170.对于该纳米线而言，发射电流密度达到0.01 m A／cm2时的阈值场强为6.3～7.3 V／μm，而发射电流密度达到10 m A／cm2时的阈值场强为9～10 V／μm.Xiong等［22］实验研究了以Au为催化剂和以SiH4为源气体，在753 K温度下生长的单晶Si纳米线的场发射特性.当发射电流密度达到1 m A／cm2时的阈值场强为3.4 V／μm，而发射电流为0.01 m A／cm2时的阈值场强为21 V／μm.Lu等［23］采用化学气相沉积模版法制备了平均直径为50 nm的Si纳米线阵列，并研究了其场发射特性.当纳米线在电场中发射出0.01 m A／cm2的电流密度时，所对应的阈值场强为14 V／μm.可以认为，该Si纳米线阵列的场发射是由Si纳米线的生长尖端及其定向生长引起的.对硼掺杂Si纳米线的场发射特性进行了测量，当电场中发射出0.01 m A／cm2的电流密度时，对应的阈值电场为6 V／μm，此值低于相同直径本征Si纳米线9 V／μm的阈值场强，这说明掺杂Si纳米线比本征Si纳米线有着更好的场致发射特性.

2.4 Si纳米线传感器

准一维结构Si纳米线具有很大的表面／体积比和很高的表面化学活性，因此对某些特定的外界物质具有敏感的响应特性［24］.利用外加介质引起Si纳米线电阻变化，可以实现传感器检测.Chen等［25］采用3层纳米压印和湿法刻蚀工艺制备了尖端线宽为22 nm的Si纳米线气体传感器.将器件样品置于NO2中进行测试发现，纳米线吸附NO2后，电导率增加15%，器件反应灵敏度为14.7%，相对较低.Guo等［26］制备了用于检测登革热病毒的高灵敏度Si纳米线生物传感器，使用非纯的RT－PCR样品对传感器灵敏度进行检测，结果如图4所示.当测试样品浓度为0.1 pmol／L时，Si NWs的电阻变化幅度为13%.而当测试样品浓度下降为0.05 pmol／L和0.01 pmol／L时，电阻值变化幅度分别为11%和9%，且响应时间均在60 min以内.Ajay等［27］采用标准的由上至下CMOS工艺制作了Si纳米线传感器.电阻式温度检测器（RTD）和二极管温度检测器，器件初始电阻温度系数（TCR）为7.5×10－3K－1.利用反馈偏置后，TCR上升至0.01 K－1，器件工作温度为293～373 K.对应于浓度为10 pmol／L和1μmol／L的单链DNA检测液，器件灵敏度分别为10%和 16%，器件信噪比小于6.器件电导随温度呈线性变化关系，温度测量的标准误差维持在85 ps.利用Si纳米线电阻变化特性制备的超灵敏压阻式应变传感器最近由Marta等所报道［28］.该传感器的主要特点是实现了将水平生长的Si纳米线层仅固定于机械活动悬臂中轴的一侧，因此能精确检测由悬臂转向产生的拉伸或压缩应力导致的电阻变化值，而不受其他扭力影响.传感器Si纳米线层接触电阻在10～100Ω内，其传导灵敏度约为105m－1，比传统的体Si压阻悬臂传感器灵敏度高1个数量级.

图3 发射电流密度与阈值电场间的关系Fig.3 Dependence of the field emission current

图4 传感器电阻随样品浓度变化关系 Fig.4 Sensor Resistance change－versus－concentrations

2.5 Si纳米线太阳能电池

Si纳米线在未来的纳米结构太阳能电池中具有潜在的应用，这是由于在Si纳米线结构中原子具有定向的有序生长，因此可以提高其结晶质量，有效减少其中的陷阱态密度，从而使太阳能电池的转换效率得以提高［11］.美国IBM贝尔实验室［29］最新研制出一种核／壳结构Si纳米线太阳电池，结构如图5 a所示.实验测试结果如图5 b所示，Si纳米线内量子效率在波长为900 nm时处于60%～80%内，并随着波长变化而迅速下降，表明Si纳米线太阳能电池表面复合效应比等价的平面器件更为明显.淀积Al2O3作为钝化层后，最大量子转换效率从1%提升至1.8%.Kumar等［30］为了克服太阳电池表面Si纳米线与金属电极的接触问题，制备了有源区Si纳米线层电池单元.实验测量和计算结果显示，Si纳米线层在300～1 000 nm波谱范围内平均反射率＜5%，纳米线层与金属电极间的接触电阻只有0.85Ω／cm2，较好地实现了两者的欧姆接触.有源区Si纳米线层电池单元的短路电流为37 m A／cm2，开路电压为544 m V，光电转换效率达到13.7%.

图5 纳米线p－n结太阳能电池结构a和内量子效率bFig.5 a.Schematic diagram of aradial p－n junction SiNW solar cell；b.Inner quantum efficiency

Huang等［31］研究了P3HT∶PCBM混合异质结太阳能电池，并在AM1.5光照下对该电池进行了仿真测试.在没有Si纳米线的情况下，该太阳能电池的短路电流密度JSC＝7.17 m A／cm2，开路电压UOC＝0.414 V，填充因子FF＝0.407和转换效率η＝1.21%.而P3HT∶PCBM／SiNWs太阳电池的Jsc＝11.6 m A／cm2，Uoc＝0.425 V，FF＝0.39和η＝1.91%.该结果说明，Si纳米线混合太阳电池的光伏性能有了很大改善，主要归因于以下2点：1）是SiNWs减小了太阳电池的串联电阻，提供了增加光生载流子收集的快速运输通道.2）是高密度SiNWs增加了Si－P3H T的界面面积，从而提高了光吸收面积和激子的解离效率.Shu等［32］结合Si纳米线和双壁碳纳米管制备了混合异质结光电化学太阳电池，采用40%的HBr和3%的Br2混合溶液作为氧化还原电解液.实验比较了不同Si纳米线密度和有无电解液对太阳电池的I-U特性和转换效率的影响.结果指出，该太阳能电池的Jsc＝10.5 m A／cm2，Uoc＝0.5 V，FF＝0.25，η＝1.29%.与同类太阳电池相比较，性能参数提高的原因主要是：1）高密度Si NWs／CNNT异质结拥有更低的反射率，能够产生更多的光生载流子；2）氧化还原电解液的存在填补了Si纳米线间的空隙，改善了Si纳米线同碳纳米管之间的接触，从而使得Si纳米线收集光生载流子的能力大大增强.

3 结束语

Si纳米线器件所展示的良好的应用前景，启示人们应对此进行进一步探索.作为其未来发展，以下几个方面应值得重视：1）在理论上应深入揭示Si纳米线这类准一维纳米结构所具有的优异电子输运特性和光电子特性，这就需要对其的电子结构、价键状态以及结晶取向等进行理论计算与特性模拟；2）制作任何新型器件，掺杂材料的制备必不可少，如何对Si纳米线进行有效掺杂，使其呈现出预期的n型和p型掺杂性质，这就需要在杂质选取和掺杂方法等方面进行更多的尝试性研究；3）目前采用多种方法制备的Si纳米线，均呈无序状态.为了能使之付诸器件应用，有序Si纳米线生长至关重要，因此，需要开发出制备有序Si纳米线的工艺技术；4）现有的Si纳米线器件在器件结构上还存在可以进一步优化的空间，因为器件结构直接关系到器件的应用特性与器件的集成性能.

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Si－based Nanowire Devices and Their Development

PENG Ying－cai，ZHANG Zhi－gang，LI Jun－ying，LOU Jian－zhong
（College of Electronic and Informational Engineering，Hebei University，Baoding 071002，China）

As a novel one－dimensional semiconductor material，silicon nanowires（SiNWs）have excellent field mission，electrical transport，and optical properties.In this review，we mainly focus on the recent developments of SiNWs used for memory，field emission device，sensors and solar cells.Finally，major challenges and promises of SiNWs in this field are simply dicussed.

Si nanowire；nano device；research development

TB 383

A

1000－1565（2011）03－0325－06

2010－12－10

河北省自然科学基金资助项目（E2008000626）

彭英才（1948－），男，河北曲阳人，河北大学教授，博士生导师，目前主要从事纳米光电信息薄膜材料的制备与光电特性研究.E－mail：ycpeng2002＠163.com

孟素兰）