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Monolithic and Single-Crystalline Aluminum–Silicon Heterostructures

材料科学 异质结 制作 光电子学 纳米器件 肖特基势垒 半导体 纳米技术 肖特基二极管 氧化物 二极管 医学 替代医学 病理 冶金
作者
Lukas Wind,Raphael Böckle,Masiar Sistani,Peter Schweizer,Xavier Maeder,Johann Michler,Corban G. E. Murphey,James F. Cahoon,W. Weber
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (22): 26238-26244 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsami.2c04599
摘要

Overcoming the difficulty in the precise definition of the metal phase of metal-Si heterostructures is among the key prerequisites to enable reproducible next-generation nanoelectronic, optoelectronic, and quantum devices. Here, we report on the formation of monolithic Al-Si heterostructures obtained from both bottom-up and top-down fabricated Si nanostructures and Al contacts. This is enabled by a thermally induced Al-Si exchange reaction, which forms abrupt and void-free metal-semiconductor interfaces in contrast to their bulk counterparts. The selective and controllable transformation of Si NWs into Al provides a nanodevice fabrication platform with high-quality monolithic and single-crystalline Al contacts, revealing resistivities as low as ρ = (6.31 ± 1.17) × 10-8 Ω m and breakdown current densities of Jmax = (1 ± 0.13) × 1012 Ω m-2. Combining transmission electron microscopy and energy-dispersive X-ray spectroscopy confirmed the composition as well as the crystalline nature of the presented Al-Si-Al heterostructures, with no intermetallic phases formed during the exchange process in contrast to state-of-the-art metal silicides. The thereof formed single-element Al contacts explain the robustness and reproducibility of the junctions. Detailed and systematic electrical characterizations carried out on back- and top-gated heterostructure devices revealed symmetric effective Schottky barriers for electrons and holes. Most importantly, fulfilling compatibility with modern complementary metal-oxide semiconductor fabrication, the proposed thermally induced Al-Si exchange reaction may give rise to the development of next-generation reconfigurable electronics relying on reproducible nanojunctions.

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