[論文レビュー] Dual gate black phosphorus velocity modulated transistor

V. Tayari, N. Hemsworth+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2015

2D Materials and Applications参考文献 18被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、二重ゲート構造を用いたブラックホスホラス（bP）の場効電界効果トランジスタ（FET）が室温で速度モードトランジスタ（VMT）として動作することを示した。トップゲートによるホール密度分布の制御により、2倍の移動度モードが達成され、移動度とショットキー準位障壁抵抗の併合制御により4倍のトランスコンダクタンスモードが実現された。結果は、2次元原子結晶におけるキャリア輸送における電荷密度分布の重要性を強調している。

ABSTRACT

The layered semiconductor black phosphorus has attracted attention as a 2D atomic crystal that can be prepared in ultra-thin layers for operation as field effect transistors. Despite the susceptibility of black phosphorus to photo-oxidation, improvements to the electronic quality of black phosphorus devices has culminated in the observation of the quantum Hall effect. In this work, we demonstrate the room temperature operation of a dual gated black phosphorus transistor operating as a velocity modulated transistor, whereby modification of hole density distribution within a black phosphorus quantum well leads to a two-fold modulation of hole mobility. Simultaneous modulation of Schottky barrier resistance leads to a four-fold modulation of transcon- ductance at a fixed hole density. Our work explicitly demonstrates the critical role of charge density distribution upon charge carrier transport within 2D atomic crystals.

研究の動機と目的

• 2次元ブラックホスホラス（bP）場効電界効果トランジスタにおける電荷密度分布がキャリア輸送に与える役割を調査すること。
• 二重ゲートの静電的制御を用いて、bPにおける室温下での速度モードトランジスタ（VMT）動作を実証すること。
• トランスコンダクタンス増幅に寄与する移動度モードとショットキー準位障壁抵抗モードの寄与を分離・定量すること。
• 長期間にわたるデバイスの完全性を保つために、HMDS修飾SiO2基板とポリマー封止を用いてbP FETを光酸化に対して安定化すること。
• 外部ゲート電圧を用いたbP量子井戸特性のチューニングプラットフォームを確立し、電子的および光エレクトロニクス用途に応用すること。

提案手法

• 酸素および水蒸気濃度が5 ppm未塔の窒素ガローブボックス内において、PDMSスタンプ法を用いてナノスケールのブラックホスホラスフラクチュを剥離した。
• 電荷移動ドーピングおよび表面吸着体を抑制するために、HMDS修飾Si/SiO2基板に剥離したbPを転写した。
• 電子線リソグラフィーと5 nm Ti/80 nm Auの蒸着を用いて、電極および二重ゲート構造を形成した。
• トップゲートとして原子層堆積法を用いて25 nmのAl2O3誘電体層を堆積し、その後にトップゲート電極を定義した。
• 最終的な封止として、300 nmのMMAおよび200 nmのPMMAポリマーを用いて、デバイスを光酸化から保護した。
• I-V特性、トランスコンダクタンス、移動度、接触抵抗を評価するために、室温および77 Kで準静的およびロックイン交流測定を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホスホラスFETにおける二重ゲート制御は、移動度モード制御を通じて室温下での速度モードトランジスタ（VMT）動作を可能にするか？
• RQ2 トップゲート電圧は、bP量子井戸内のホール密度の空間的分布および散乱メカニズムにどのように影響するか？
• RQ3 固定キャリア密度下で、トップゲート制御がショットキー準位障壁抵抗に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 移動度とショットキー準位障壁抵抗の併合制御が、bP FETにおけるトランスコンダクタンス増幅に与える総合的影響は何か？
• RQ5 表面処理（HMDS）およびポリマー封止は、bP FETの長期的安定性および電子的特性にどのように影響するか？

主な発見

• ホール密度を4×10¹¹ cm⁻²に固定した状態で、トップゲート電圧を0 Vから-4 Vに変化させることで、2端子トランスコンダクタンスが4倍に増幅された。
• トップゲートによるホール密度分布および散乱メカニズムの変化に起因して、ブラックホスホラスチャネルで2倍の移動度モードが観察された。
• 接触抵抗はトップゲート制御により2倍に変化し、注入領域への強い静電的結合が確認された。
• デバイスは6か月間で安定したI-V特性を示し、HMDSおよびポリマー封止による光酸化からの効果的保護が実証された。
• 二重ゲート構造により、キャリア移動度とショットキー準位障壁抵抗の両方を同時に制御でき、2次元半導体におけるVMTメカニズムの妥当性が裏付けられた。
• 原子間力顕微鏡により、トップゲート下のbP厚さが32 nmであることが確認され、封止がデバイスの完全性および性能を保持していた。