Theoretical study of semiconducting nanowires
Etude théorique de nanofils semiconducteurs
Résumé
Recent breakthroughs in the growth of semiconductor nanowires (SNWs) have opened up great opportunities for nanoscale device applications. SNWs remain semiconducting independent of their diameter and orientation, giving the ability to control their properties by doping. Therefore a large number of experimental works have addressed the problem of doping and of its modulation in SNWs. While there is no doubt that p- and n-type SNWs can be produced, the question of how their electrical conductivity depends on the doping level remains largely open. In fact, most of the works showing good transport properties concern SNWs doped with high impurity concentration, near or above the Mott density. In order to investigate the doping efficiency in SNWs, we present calculations of the electronic structure of donor and acceptor impurities in Si nanowires. We show that their ionization energy increases due to the confinement, the quantum confinement at small sizes (diameter < 5 nm) and above all the so-called dielectric confinement which occurs when there is an important dielectric mismatch between the wire and its surrounding. For SNWs embedded in a material with a low dielectric constant, we obtain that the impurities cannot be ionized at room temperature even for diameters up to several tens of nanometers. We explain the origin of this behavior by considering the effect of the impurity potential and of the self-energy of the carrier, and we make predictions for the ionization energy in different configurations. These results allow us to conclude on the necessity to use heavy doping to obtain good electrical properties in SNWs.
Le dopage des nanofils de semiconducteurs est un paramètre essentiel gouvernant leurs propriétés optiques et de transport. Alors que dans les nanofils d'une centaine de nanomètres de diamètre les impuretés servant au dopage se comportent certainement comme dans le matériau massif, les confinements quantique et diélectrique influent fortement sur leur structure électronique pour des dimensions de l'ordre de la dizaine de nanomètres ou en dessous. Les récentes techniques de croissance des nanofils semiconducteurs ouvrent de grandes opportunités pour des applications à l'échelle nanométrique. Ils restent semiconducteurs indépendamment de leur diamètre et de leur orientation, donnant la possibilité de contrôler leurs propriétés par dopage. Alors qu'il n'y a pas de doute que des nanofils de type p et n peuvent être produits, la question sur « comment leur conductivité électrique dépend du dopage ? » reste largement ouverte. En fait, la plupart des travaux montrant de bonnes propriétés de transport concernent des nanofils dopés avec une forte concentration de dopants (près de la densité de Mott ou au dessus). Dans ce cadre, notre travail présentera les résultats de calculs de structure électronique d'impuretés hydrogénoïdes dans des nanofils de silicium. L'évolution de l'énergie de liaison des donneurs et accepteurs sera présentée en fonction de la taille des nanofils. Des simulations de l'efficacité de dopage à température ambiante permettront de prédire des caractéristiques essentielles du transport électronique dans les nanofils. Nous montrons que l'énergie de liaison croit, dû aux confinements. Le confinement quantique pour les petites tailles de nanofils (diamètre < 5 nm) et le confinement dit « diélectrique » qui se produit quand il y a une importante discontinuité entre la constante diélectrique dans le nanofil et celle de son environnement. Pour les nanofils dans un environnement avec une faible constante diélectrique, nous montrons que les impuretés ne peuvent être ionisées à température ambiante même pour des diamètres jusqu'à quelques dizaines de nanomètres. Nous expliquons l'origine de ce comportement en considérant l'effet du potentiel de l'impureté et de la self-énergie des porteurs, nous donnons l'énergie d'ionisation dans différentes configurations. Ces résultats nous permettent de conclure qu'un fort dopage est nécessaire pour obtenir de bonnes propriétés électriques dans le nanofil.
Domaines
Physique [physics]
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