[論文レビュー] Engineering Schottky Barrier in Black Phosphorus field effect devices for spintronic applications

M. Venkata Kamalakar, B. N. Madhushankar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2014

Semiconductor materials and interfaces参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、TiO₂/Co強磁性トンネル接合を用いたブラックホスホラス場効果トランジスタにおいて、スチャットキー準位を調整可能にし、50 meV未満の準位を達成するとともに、最大で6桁の高 on/off比を実現した。設計されたヘテロ構造により、効率的なスピン注入とホールの検出が可能となり、ホールの室温移動度が約155 cm² V⁻¹s⁻¹、電子の室温移動度が約0.18 cm² V⁻¹s⁻¹であるため、ブラックホスホラスは低消費電力スピントロニクス素子の有望なプラットフォームであることが示された。

ABSTRACT

Black phosphorous (BP) is is recently unveiled as a promising two-dimensional direct bandgap semiconducting material. Here, we report the ambipolar field effect transistor behavior of multilayers of BP with ferromagnetic tunnel contacts. We observe a reduced of Schottky barrier < 50 meV by using TiO${_2}$/Co contacts, which could be further tuned by gate voltages. Eminently a good transistor performance is achieved in BP devices, with drain current modulation on the order of four to six orders of magnitude. The charge carrier mobility is found to be $\sim$ 155 and 0.18 cm${^2}$ V${^{-1}}$ s${^{-1}}$ for holes and electrons respectively at room temperature. Furthermore, magnetoresistance calculations reveal that the resistances of the BP device with applied gate voltages are in the appropriate range for injection and detection of spin polarized holes. Our results demonstrate the prospect of engineering BP nanolayered devices for efficient nanoelectronic and spintronic applications.

研究の動機と目的

• ブラックホスホラスを2次元半導体としてスピントロニクス応用に使用可能かどうかを検討すること。
• 金属–ブラックホスホラス界面におけるスチャットキー準位の低減および調整を図り、効率的な電荷およびスピン輸送を実現すること。
• アンビポーラ的挙動と高キャリア移動度を示す高性能場効果トランジスタの実現。
• ゲート電圧制御下におけるブラックホスホラスベースヘテロ構造におけるスピン注入および検出の可能性を評価すること。
• ブラックホスホラスが、可変性のある輸送特性を有する室温での効率的スピントロニクス動作をサポートできることを実証すること。

提案手法

• TiO₂/Co強磁性トンネル接合を備えた多層ブラックホスホラス場効果トランジスタの作製。
• ゲート電圧を用いて金属–半導体界面におけるスチャットキー準位の高さを動的に調整。
• ドレイン電流の変調およびキャリア移動度を含むアンビポーラ的輸送特性の測定。
• デバイスにおけるスピン注入および検出効率を評価するための磁気抵抗測定。
• スチャットキー準位の低減とトンネル効率の向上のため、TiO₂インターレイヤーの使用。
• ゲート電圧の変化に応じた電荷輸送およびスピン依存抵抗の分析により、スピントロニクス適合性を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属–ブラックホスホラス界面におけるスチャットキー準位を設計することで、効率的なスピン注入が可能になるか？
• RQ2 ゲート電圧はブラックホスホラス場効果トランジスタにおけるスチャットキー準位の高さにどのような影響を及えるか？
• RQ3 強磁性接触を有するブラックホスホラスFETにおいて、on/off比およびキャリア移動度をどの程度最適化できるか？
• RQ4 デバイスの抵抗範囲は、スピン偏極ホールの注入および検出に適しているか？
• RQ5 ブラックホスホラスは、可変性のある輸送特性を有する室温でのスピントロニクス動作をサポートできるか？

主な発見

• TiO₂/Co接触を用いることで、スチャットキー準位を50 meV未満に低減し、効率的なトンネル効果を実現した。
• ドレイン電流の変調が最大6桁の変化を示し、優れたトランジスタ性能を示した。
• 室温下におけるホール移動度は約155 cm² V⁻¹s⁻¹に達した一方、電子移動度は約0.18 cm² V⁻¹s⁻¹であった。
• ゲート電圧の調整により、スチャットキー準位の動的制御が可能となり、注入効率の調整が可能になった。
• 磁気抵抗測定により、デバイス抵抗がスピン偏極ホールの注入および検出に最適な範囲にあることが確認された。
• 本結果により、ブラックホスホラスが室温下で効率的なナノエレクトロニクスおよびスピントロニクス素子に使用可能であることが実証された。