The effects of surface modification on the electrical properties of p–n + junction silicon nanowires grown by an aqueous electroless etching method

연구 배경

AEE는 수직으로 정렬된 SiNW를 한 단계로 만들 수 있지만, 이렇게 만든 나노와이어는 표면 거칠기가 크고 고유한 표면 결함을 지닙니다. 나노와이어는 부피 대비 표면적이 커서 이러한 결함이 소자의 전기적 특성에 크게 영향을 주므로, 고성능 SiNW 소자를 얻으려면 표면 개질이 필요합니다.

설계와 접근

p형 Si에 인 이온을 주입해 만든 평면 p–n+ 접합 웨이퍼를 60 °C의 4.9 M HF와 0.03 M AgNO3 용액에서 식각해 수직 SiNW를 성장시킵니다. 이어서 100 mTorr 산소 분위기, 1,000 °C에서 30초씩 10회 RTO를 수행하며, 고정 양전하를 줄이기 위해 매 승온 구간에 N2를 주입하고, 생성된 열산화막은 HF에서 1분 동안 제거합니다. 거친 표면의 볼록한 부분이 오목한 부분보다 빨리 산화되므로, 산화막을 만들었다가 벗겨 내면 실리콘 표면이 평탄해지는 원리입니다. 전기 측정을 위해 나노와이어 사이를 SU-8 감광막으로 채우고 150 nm 인듐주석산화물(ITO) 상부 전극과 50 nm Au 하부 전극을 형성했습니다.

평가 방법

전계방출 주사전자현미경으로 표면 형상을 관찰했고, 제작 직후, RTO 처리, RTO 처리 후 HF 식각한 SiNW는 고분해능 투과전자현미경(HR-TEM)으로 비교했습니다. 25분 식각한 나노와이어에서 물 접촉각을 측정하고 RTO 처리 나노와이어의 전진·후진 접촉각을 여러 식각 시간에 걸쳐 측정했으며, 진공, 질소, H2/N2 혼합 기체 분위기의 대조 열처리도 수행했습니다. 제작 직후 소자와 RTO 처리/HF 식각 소자의 암전류 전류-전압 특성, 300 K에서의 다이오드 이상 계수, 백색광(입사 광출력 16 mW, 조사 면적 약 0.2 mm2) 아래 광전류를 비교했습니다.

연구 내용과 주요 결과

15분 식각한 SiNW는 길이가 약 6 μm로 균일하고 지름이 약 100~150 nm인 수직 배열을 이루었습니다. HR-TEM에서 제작 직후 나노와이어의 표면은 거칠었고, RTO 후에는 5 nm보다 두꺼운 산화막이 생기며 실리콘/산화막 계면 거칠기가 줄었습니다. HF로 산화막을 제거한 뒤의 실리콘 표면은 제작 직후보다 매끄러웠습니다.

제작 직후 나노와이어는 접촉각이 거의 0인 초친수성이었으나, 산소 분위기 RTO 후 접촉각은 151.2°로 높아졌습니다. 진공, 질소, H2/N2 혼합 기체에서 같은 열처리를 했을 때는 젖음성이 크게 변하지 않았습니다. 저자들은 표면 에너지를 낮추는 실록산기와 나노 구조의 효과를 원인으로 해석했습니다. 전진·후진 접촉각 차이는 21°보다 커서 Wenzel 모델로 설명되었고, 접촉각은 식각 시간이 길수록 커졌습니다.

두 소자 모두 정류 특성을 보였고, 계산한 공핍 폭 1.87 μm가 p형 나노와이어 길이보다 짧아 나노와이어 안에 접합이 형성되었음을 뒷받침했습니다. 10회 RTO와 HF 식각 후 4 V 순방향 전류밀도는 처리하지 않은 나노와이어의 약 6.3배였으며, 저자들은 표면 산란 감소와 표면 캐리어 이동도 향상을 원인으로 보았습니다. 이상 계수는 5.64에서 3.36으로 낮아졌고, 4 V 역방향 전류밀도는 약 0.83배로 줄어 재결합-생성 중심이 감소한 것과 부합했습니다.

10 V 역방향 바이어스의 백색광 조건에서 광전류 밀도는 표면 개질 후 53.5 μA/mm2에서 41.8 μA/mm2로 감소했습니다. 저자들은 표면이 평탄해져 광흡수 면적이 줄고, 나노와이어가 가늘어져 광흡수 부피가 줄었으며, 매끄러워진 표면에서 빛의 산란이 줄어든 것을 원인으로 들었습니다.

남은 과제

저자들은 두 소자의 이상 계수가 표면 결함 때문에 일반 Si 다이오드보다 여전히 크다고 밝혔으며, 초소수성 상태는 공기 중에서 수십 분 안에 물이 다시 흡착되면서 되돌아갔다고 보고했습니다. RTO 횟수에 따른 전류 증가는 데이터 없이 서술되어 있습니다.

다른 연구와의 연결

금속 보조 화학 식각에 관한 관련 종설은 금속, 식각액, 기판이 실리콘 나노구조 형성에 미치는 영향을 정리하며, 이 연구는 그러한 식각으로 만든 나노와이어를 출발점으로 삼아 산화와 산화막 제거로 표면을 사후에 바꾸었습니다.