Counterbalanced Effect of Surface Trap and Auger Recombination on the Transverse Terahertz Carrier Dynamics in Silicon Nanowires

연구 배경

광여기 운반자 동역학은 실리콘 기반 광소자의 성능을 제한하며, SiNW에서는 운반자 수명이 와이어 축에 대한 방향, 와이어 간 연결, 많은 표면 트랩에 따라 달라집니다. 기존에 보고된 수명은 주로 길이 방향에 대한 것이었고 횡방향 수명은 거의 밝혀지지 않았습니다. 표면 피막은 트랩 중심을 줄이지만 강한 펌핑에서 다입자 오제 산란을 키우며, 광펌프-광탐침 측정에는 트랩된 운반자의 광유도 흡수가 함께 나타납니다. 저에너지 테라헤르츠(THz) 탐침은 탐침 광자 에너지보다 훨씬 높은 곳에 있는 트랩 준위에서 운반자를 여기하지 않습니다.

설계와 접근

p형 (100) 실리콘에 나노구 리소그래피와 결합한 금속 보조 화학 식각(MACE)으로 SiNW를 만들고, 폴리디메틸실록산 스탬프로 수직 정렬된 단일층만 THz 영역에서 투명한 셀로판 테이프 기판에 옮겼습니다. 와이어 길이는 약 60 μm, 지름은 약 500 nm였고, 면적 밀도는 다발형 30%, 개별 및 피막 SiNW 3%였습니다. 피막 SiNW는 1000 °C에서 4분간 열산화해 5 nm 두께의 SiO2 층을 형성했습니다. 트랩 밀도와 광여기 운반자 밀도를 비교하기 위해 벌크 간접 재결합, 포화 가능한 트랩 매개 재결합, 오제 항을 포함한 연립 속도방정식 모델을 사용했습니다.

평가 방법

250 kHz Ti:사파이어 재생 증폭기에서 나온 1.55 eV, 50 fs 펌프 펄스를 와이어 축에 대해 45° 편광으로 최대 700 μJ/cm²까지 조사하고, 0.5~3 THz 탐침 펄스로 투과 THz 전기장의 펌프 유도 변화를 상온 대기 조건에서 측정했습니다. 두께 500 nm의 벌크 Si 박막을 기준 시료로 사용했습니다. 시간 상수는 다발형과 개별 SiNW에는 단일 지수 함수, 피막 SiNW에는 이중 지수 함수로 추출했고, 모든 과도 신호를 속도방정식 모델로도 맞추었으며 오제 항은 개별 및 피막 SiNW에만 넣었습니다.

연구 내용과 주요 결과

벌크 Si 박막의 운반자 수명은 마이크로초 수준이었으나 다발형과 개별 SiNW의 감쇠는 훨씬 빨랐고, 연구진은 이를 결함 트랩핑으로 설명했습니다. 개별 SiNW의 신호는 다발형보다 빠르게 감쇠했습니다.

다발형 SiNW에서는 펌프 플루언스가 커질수록 감쇠가 느려졌고 100 μJ/cm²를 넘으면 느린 감쇠가 나타났으며, 연구진은 표면 트랩 포화로 벌크와 유사한 간접 재결합이 우세해진 결과로 해석했습니다. 개별 SiNW는 플루언스와 거의 무관한 감쇠를 보였고, 이는 오제 산란이 트랩 매개 재결합을 상쇄한 것으로 해석되었습니다. 개별 SiNW에서 가장 긴 자유 운반자 수명 300 ps와 확산 계수 24 cm²/s로부터 확산 길이 0.85 μm, 표면 재결합 속도 0.4 × 10^5 cm/s를 얻었으며, 운반자가 재결합 전에 적어도 한 번은 표면에 도달함을 뜻합니다. 다발형 SiNW에서는 운반자가 연결된 이웃 와이어로 확산하므로 오제 재결합의 역할이 작았습니다.

피막 SiNW의 운반자 수명은 50 μJ/cm²에서 약 1.1 ns로 개별 SiNW보다 훨씬 길었고, 확산 길이는 약 1.6 μm로 늘어 지름 500 nm 와이어에서 적어도 세 번 표면 산란이 일어나는 것에 해당했습니다. 감쇠는 50 μJ/cm²에서 단순 지수 형태였으나 700 μJ/cm²에서는 초기 감쇠율이 급격히 커졌고, 피막 SiNW의 신호 최댓값은 연구진이 3차 플루언스 의존성으로 기술한 거동을 보인 반면 개별 SiNW에서는 선형으로 증가했습니다. 연구진은 이 새로운 경로를 다입자 오제형 산란으로 보았으며, 이중 지수 맞춤이 필요한 것은 피막 SiNW뿐이었습니다.

속도방정식 분석에서 피막 SiNW의 초기 트랩 밀도는 개별 SiNW의 약 4분의 1로 얻어졌고, 다발형 SiNW는 와이어 간 연결 때문에 개별 SiNW보다 트랩 밀도가 낮았습니다. 트랩 밀도 대 광여기 운반자 밀도의 비가 2 미만이 되면 피막 SiNW에서는 트랩이 쉽게 포화되어 오제 재결합이 우세했지만, 개별 SiNW에서는 트랩 매개 재결합이 계속 우세했습니다. 연구진은 개별 SiNW에서 오제에 의한 빠른 초기 감쇠가 뚜렷하지 않은 것이 오제 산란이 약해서가 아니라 표면 트랩핑을 완전히 상쇄하지 못하기 때문이라고 설명했습니다.

다른 연구와의 연결

Gabriel 등은 공간 분리 펌프-탐침 현미경으로 단일 실리콘 나노와이어 축을 따라 퍼지는 자유 운반자와 트랩 운반자를 영상화했으며, 이 연구는 THz 탐침으로 나노와이어 층의 와이어 횡방향 재결합을 측정하고 그들이 보고한 수 나노초의 트랩 수명을 근거로 신호에 트랩 상태 기여가 없다고 판단했습니다.