[論文レビュー] Black phosphorus field-effect transistors

Likai Li, Yijun Yu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2014

2D Materials and Applications被引用数 38

ひとこと要約

本論文は、数ナノメートルの厚さにまで薄くした数層の黒リンを用いた場効果トランジスタの成功した作製を示している。室温下で最大10⁵のオン/オフ電流比と、約10 nmの厚さで最大~1000 cm²/Vsの移動度を報告しており、黒リンがナノエレクトロニクス用途に有望な二次元半導体であることを確立している。

ABSTRACT

Two-dimensional crystals have emerged as a new class of materials with novel properties that may impact future technologies. Experimentally identifying and characterizing new functional two-dimensional materials in the vast material pool is a tremendous challenge, and at the same time potentially rewarding. In this work, we succeed in fabricating field-effect transistors based on few-layer black phosphorus crystals with thickness down to a few nanometers. Drain current modulation on the order of 10E5 is achieved in samples thinner than 7.5 nm at room temperature, with well-developed current saturation in the IV characteristics, both are important for reliable transistor performance of the device. Sample mobility is also found to be thickness dependent, with the highest value up to ~ 1000 cm2/Vs obtained at thickness ~ 10 nm. Our results demonstrate the potential of black phosphorus thin crystal as a new two-dimensional material for future applications in nano-electronic devices.

研究の動機と目的

• 数層の黒リンの電子的性質を、二次元半導体素子の候補として調査すること。
• 厚さを制御した剥離された黒リンフラケの基板上に場効果トランジスタを形成し、その特性を評価すること。
• 黒リントランジスタの電気的性能、特に電流変調、飽和特性、および移動度を評価すること。
• 黒リンにおけるキャリア移動度の厚さ依存性を調査すること。
• 黒リンがナノエレクトロニクス用途において他の2次元材料の実用的代替手段として実現可能であるかどうかを確立すること。

提案手法

• 数ナノメートルの厚さまで薄くした数層の黒リンフラケを機械的剥離法により得た。
• 電子ビーム蒸着法を用いて電極を形成し、トップゲート型場効果トランジスタを構築した。
• 室温下で標準的なDC I-V特性測定を用いてデバイス性能を測定した。
• ゲート電圧を印加してチャネルの導電度を変調し、場効果動作を実現した。
• 移動度は、トランスファーキャレクトリックの線形領域を用いて抽出した。
• 異なるフラケの厚さにおいて、電気的性質の厚さ依存性を体系的に分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 数層の黒リンを用いて高性能な機能的場効果トランジスタを実現できるか？
• RQ2 室温下での黒リン場効果トランジスタのオン/オフ電流比はどの程度か？
• RQ3 キャリア移動度は黒リンの厚さにどのように依存するか？
• RQ4 黒リンはI-V特性に明確な電流飽和を示すか？
• RQ5 黒リンは実用的なナノエレクトロニクス用途に適した性能指標を達成できるか？

主な発見

• 7.5 nm未満の厚さの黒リン場効果トランジスタでは、室温下で最大10⁵の高いオン/オフ電流比が達成された。
• I-V特性に明確な電流飽和が観察され、信頼性の高いトランジスタ動作を示している。
• 約10 nmの厚さで最高で~1000 cm²/Vsのキャリア移動度が達成され、強い厚さ依存性が示された。
• より薄いフラケおよびより厚いフラケでは移動度が低下し、性能に最適な厚さ範囲があることが示された。
• 結果から、黒リンが将来のナノエレクトロニクス素子に有望な二次元半導体であることが確認された。
• 黒リントランジスタの電気的性能は、タングステン硫化物などの他の2次元材料と同等であり、より優れたオン/オフ比を示している。