C. T.-K. Lew, Brett C. Johnson, Steve Arscott, A. Thayil, Marcel Filoche, Alistair Rowe, Jeffrey C. McCallum, H. Li, Laboratoire de physique de la matière condensée (LPMC), École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), University of Melbourne, Institut d’Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN), Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA), Nano and Microsystems - IEMN (NAM6 - IEMN), Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-Centrale Lille-Institut supérieur de l'électronique et du numérique (ISEN)-Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis (UVHC)-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF), ANR-17-CE24-0005,TRAMP,Propriétés électromécaniques nouvelles des nanostructures de silicium induites par des pièges électroniques(2017), Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL), Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL)-Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA), financial support from the French Agence Nationale de la Recherche (ANR-17-CE24-0005), and M.F. and A.T. are funded by a grant from the Simons Foundation (601944, MF)
The steady-state, space-charge-limited piezoresistance (PZR) of defect-engineered, silicon-on-insulator device layers containing silicon divacancy defects changes sign as a function of applied bias. Above a punch-through voltage ($V_t$) corresponding to the onset of a space-charge-limited hole current, the longitudinal $\langle 110 \rangle$ PZR $\pi$-coefficient is $\pi \approx 65 \times 10^{-11}$~Pa$^{-1}$, similar to the value obtained in charge-neutral, p-type silicon. Below $V_t$, the mechanical stress dependence of the Shockley-Read-Hall (SRH) recombination parameters, specifically the divacancy trap energy $E_T$ which is estimated to vary by $\approx 30$~$\mu$V/MPa, yields $\pi \approx -25 \times 10^{-11}$~Pa$^{-1}$. The combination of space-charge-limited transport and defect engineering which significantly reduces SRH recombination lifetimes makes this work directly relevant to discussions of giant or anomalous PZR at small strains in nano-silicon whose characteristic dimension is larger than a few nanometers. In this limit the reduced electrostatic dimensionality lowers $V_t$ and amplifies space-charge-limited currents and efficient SRH recombination occurs via surface defects. The results reinforce the growing evidence that in steady state, electro-mechanically active defects can result in anomalous, but not giant, PZR., Comment: 9 pages, 8 figures