[論文レビュー] Coulomb drag transistor via graphene/MoS2 heterostructures

Youngjo Jin, Min‐Kyu Joo+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2017

Graphene research and applications参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、グラフェン/ジチウムディスルフィド（MoS₂）ヘテロ構造を用いた新規なクーロンドラッグトランジスタが提案されている。ファンデルワールス界面における強い層間クーロン結合を活用し、シュットキー準位差によって電子-正孔対の再結合を抑制することで、室温で高い移動度（約3,700 cm²V⁻¹s⁻¹）と高いオン/オフ比（約10⁸）を実現した。また、電子-電子ドラッグ状態においてシュービニコフ＝ド・ハース振動が観測され、室温で実用的な量子2次元ヘテロ構造デバイスの実現が示された。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) heterointerfaces often provide extraordinary carrier transport as exemplified by superconductivity or excitonic superfluidity. Recently, double-layer graphene separated by few-layered boron nitride demonstrated the Coulomb drag phenomenon: carriers in the active layer drag the carriers in the passive layer. Here, we propose a new switching device operating via Coulomb drag interaction at a graphene/MoS2 (GM) heterointerface. The ideal van der Waals distance allows strong coupling of the interlayer electron-hole pairs, whose recombination is prevented by the Schottky barrier formed due to charge transfer at the heterointerface. This device exhibits a high carrier mobility (up to ~3,700 cm^2V^-1s^-1) even at room temperature, while maintaining a high on/off current ratio (~10^8), outperforming those of individual layers. In the electron-electron drag regime, graphene-like Shubnikov-de Haas oscillations are observed at low temperatures. Our Coulomb drag transistor could provide a shortcut for the practical application of quantum-mechanical 2D heterostructures at room temperature.

研究の動機と目的

• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造における層間クーロンドラッグに基づく室温スイッチングデバイスの開発を目的とする。
• 従来の2次元ヘテロ構造の限界を克服するため、強い層間結合とシュットキー準位差による再結合抑制を活用する。
• 実用応用を想定し、1つのヘテロ構造デバイスで高いキャリア移動度と高いオン/オフ比を実現することを目的とする。
• クーロンドラッグ状態における量子輸送現象（例えばシュービニコフ＝ド・ハース振動）の検討を目的とする。

提案手法

• 理想的なファンデルワールス層間距離を有するグラフェン/MoS₂ヘテロ構造を用いてデバイスをフォトリソグラフィーで作製し、層間クーロン結合を最大化する。
• ヘテロ界面での電荷移動がシュットキー準位差を形成し、層間電子-正孔対の再結合を抑制する。
• 低温での電気的輸送測定を実施し、量子振動の観測とクーロンドラッグ効果の確認を行う。
• キャリアが能動層からクーロン相互作用によって受動層が駆動される電子-電子ドラッグ状態でシステムが動作する。
• フィールド効果トランジスタ構造を用いて高移動度を測定し、ゲート電圧でグラフェン層のキャリア密度を調整する。
• 理論的モデリングにより、層間結合とシュットキー準位差がドレイン電流の安定化に果たす役割を裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン/MoS₂ヘテロ構造において、室温で高性能を発揮するクーロンドラッグトランジスタを実現できるか？
• RQ2 ヘテロ界面に形成されるシュットキー準位差は、層間電子-正孔再結合およびデバイス動作にどのように影響を与えるか？
• RQ3 層間クーロン結合によって、グラフェン層のキャリア移動度はどの程度向上するか？
• RQ4 このヘテロ構造のクーロンドラッグ状態において、シュービニコフ＝ド・ハース振動のような量子振動が観測可能か？
• RQ5 2次元ヘテロ構造デバイスで高い移動度を達成する一方で、オン/オフ電流比を高い水準で維持できるか？

主な発見

• 室温で最大約3,700 cm²V⁻¹s⁻¹の高いキャリア移動度を示し、輸送特性の顕著な向上が確認された。
• オン/オフ電流比が約10⁸に達し、優れたスイッチング能力を示した。
• 低温で電子-電子ドラッグに特徴的なシュービニコフ＝ド・ハース振動が観測され、コherentlyな多体効果の存在が確認された。
• 界面での電荷移動によって形成されるシュットキー準位差が、層間電子-正孔対の再結合を効果的に抑制した。
• 最適な層間距離のおかげで、ファンデルワールスヘテロ構造が強い層間クーロン結合を実現した。
• 室温で動作する実用的な量子2次元ヘテロ構造デバイスの実現可能性が示された。