Graphene/silicon Schottky diode

Abstract

In this works we fabricated four graphene/silicon heterojunctions, which differ for structure and substrate type, and performed electrical and optical characterization. The first device was realized by depositing a layer of graphene on a trench patterned low n-doped silicon substrate. We obtained a graphene/silicon Schottky diode connected in parallel with a graphene/oxide/silicon MOS (Metal Oxide Semiconductor) capacitor. The device shows a rectification factor of 3 orders of magnitude and a Schottky barrier of 0.56 𝑒𝑉. The device displays a reverse current greater than the forward one when exposed to white LED light. We explained this phenomenon by taking into account the MOS capacitor connected in parallel which act as a reservoir of charges. The second device presents the same structure, but a low p-doped silicon substrate was used. In this case, we obtained a Schottky barrier of 0.17 𝑒𝑉 which tends to get smaller when annealed to high temperature. This behaviour has been attributed to the boron atoms which diffuse from the silicon to graphene inducing a p-doping, which further reduce the Schottky barrier. The third device was realized by depositing a graphene layer on a pillar-patterned high n-doped silicon substrate. The device shows a Schottky barrier of 0.11 𝑒𝑉 and a reverse current which grows exponentially respect to the bias. We explained this result by considering the pillar structure which, magnifying the electric field around its corners, favours the up-shift (down-shift) of the graphene Fermi level reducing (or increasing) the Schottky barrier upon application of a bias. At higher temperature this behaviour tends to disappear since the Schottky barrier variations are overcome by the thermal effects. The last device was fabricated by depositing a graphene layer on a matrix of silicon tips. The device shows a Schottky barrier of 0.36 𝑒𝑉 which corresponds to a rectification factor of almost three orders of magnitude and a reverse current which grows exponentially with the bias over the whole temperature range. Similar to the previous junction, the tip geometry magnifies the electric field and allows to tune the Schottky barrier by changing the bias. The device shows an ideality factor closer to the unity meaning that the tip geometry reduces the formation of inhomogeneity, which can affect the junction properties, and allows the formation of higher Schottky barrier. [edited by Author]

In questo lavoro abbiamo fabbricato quattro eterogiunzioni grafene / silicio, che differiscono per struttura e tipo di substrato, ed eseguito caratterizzazione elettrica e ottica. Il primo dispositivo è stato realizzato depositando uno strato di grafene su un substrato di silicio patternato a basso drogaggio di tipo n. Abbiamo ottenuto un diodo Schottky di grafene/silicio collegato in parallelo con un condensatore MOS di grafene/ossido/silicio (Metal Oxide Semiconductor). Il dispositivo mostra un fattore di rettificazione di 3 ordini di grandezza ed una barriera Schottky di 0,56 eV. Il dispositivo presenta una corrente inversa maggiore di quella diretta quando esposto alla luce a LED bianca. Abbiamo spiegato questo fenomeno prendendo in considerazione il condensatore MOS collegato in parallelo che funge da riserva di cariche. Il secondo dispositivo presenta la stessa struttura, ma è stato utilizzato un substrato di silicio a basso drogaggio di p. In questo caso, abbiamo ottenuto una barriera Schottky di 0,17 eV che tende a ridursi quando è esposto ad alte temperature. Questo comportamento è stato attribuito agli atomi di boro che si diffondono dal silicio al grafene inducendo un p-doping, che riduce ulteriormente la barriera di Schottky. Il terzo dispositivo è stato realizzato depositando uno strato di grafene su un substrato di silicio ad alto n drogaggio modellato su pilastri. Il dispositivo mostra una barriera Schottky di 0,11 eV ed una corrente inversa che cresce esponenzialmente rispetto al bias. Abbiamo spiegato questo risultato considerando la struttura del pilastro che, magnificando il campo elettrico attorno ai suoi angoli, induce uno spostamento verso l'alto ( o verso il basso) del livello di grafene Fermi riducendo (o aumentando) la barriera di Schottky quando viene applicato un bias. A temperature più elevate questo comportamento tende a scomparire poiché le variazioni della barriera di Schottky sono superate dagli effetti termici. L'ultimo dispositivo è stato fabbricato depositando uno strato di grafene su una matrice di punte di silicio. Il dispositivo mostra una barriera Schottky di 0,36 eV che corrisponde a un fattore di rettificazione di quasi tre ordini di grandezza e una corrente inversa che cresce esponenzialmente con il bias su tutto l'intervallo di temperatura. Simile alla giunzione precedente, la geometria della punta ingrandisce il campo elettrico e consente di regolare la barriera di Schottky modificando la polarizzazione. Il dispositivo mostra un fattore di idealità più vicino all'unità, il che significa che la geometria a punta riduce la formazione di disomogeneità, che possono influenzare le proprietà della giunzione e consente la formazione di una barriera Schottky superiore. [a cura dell'Autore]