[論文レビュー] Interlayer band-to-band tunneling and negative differential resistance in van der Waals BP/InSe field effect transistors

Quanshan Lv, Faguang Yan+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2020

2D Materials and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、黒リン（BP）およびインジウムセレン化物（InSe）を基盤とするvan der Waalsヘテロジャンクション場効果トランジスタにおいて、チューナブルな層間帯対帯トンネル効果と負微分抵抗を実証した。BPの厚さと電界ゲート制御により、デバイスは最大10⁸のオン/オフ比と約0.2 Vで負微分抵抗を示し、低消費電力エレクトロニクス向けの多様なTFET機能を実現した。

ABSTRACT

Atomically thin layers of van der Waals (vdW) crystals offer an ideal material platform to realize tunnel field effect transistors (TFETs) that exploit the tunneling of charge carriers across the forbidden gap of a vdW heterojunction. This type of device requires a precise energy band alignment of the different layers of the junction to optimize the tunnel current. Amongst two-dimensional (2D) vdW materials, black phosphorus (BP) and indium selenide (InSe) have a Brillouin zone-centered conduction and valence bands, and a type II band offset, both ideally suited for band-to-band tunneling. Here, we demonstrate TFETs based on BP/InSe heterojunctions with diverse electrical transport characteristics: forward rectifying, Zener-tunneling and backward rectifying characteristics are realized in BP/InSe junctions with different thickness of the BP layer or by electrostatic gating of the junction. Electrostatic gating yields a large on/off current ratio of up to 108 and negative differential resistance at low applied voltages (V ~ 0.2V). These findings illustrate versatile functionalities of TFETs based on BP and InSe, offering opportunities for applications of these 2D materials beyond the device architectures reported in the current literature.

研究の動機と目的

• 黒リン（BP）およびインジウムセレン化物（InSe）を用いた2次元van der Waalsヘテロジャンクションにおいて、チューナブルな層間帯対帯トンネル効果を実現すること。
• 厚さ制御と電界ゲート制御により、順方向整流、ゼナーツーリング、逆方向整流といった多様な電気的特性を達成すること。
• 低電圧で負微分抵抗（NDR）を示すことで、将来的な低消費電力論理応用の可能性を実証すること。
• トンネル効率とデバイス性能を向上させるために、2次元ヘテロジャンクションにおけるエネルギーバンドアライメントを最適化すること。

提案手法

• BPおよびInSeフラケの機械的剥離を用いて垂直的ヘテロ構造を形成し、van der Waalsヘテロジャンクションを構築する。
• BP層の厚さを制御することで、バンドアライメントとトンネル特性を調整する。
• 電界バックゲートを適用し、フェルミ準位をモニタリングすることで、ヘテロジャンクションを横断する帯対帯トンネル効果を誘発する。
• ゲート電圧を変化させた状態で電流-電圧（I-V）特性を測定し、トンネル効果領域とNDR挙動を特定する。
• BPとInSe間のタイプIIバンドオフセットを用いることで、効率的な層間帯対帯トンネル効果を実現する。
• ゲート電圧およびBP厚さに依存するトンネル電流の解析により、デバイス性能指標を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BP/InSeのvan der Waalsヘテロジャンクションにおいて、厚さおよびゲート制御により層間帯対帯トンネル効果を効果的にチューニングできるか？
• RQ2 BP/InSe TFETでは、どのような電気的輸送領域（順方向整流、ゼナーツーリング、逆方向整流）が達成可能か？
• RQ3 BP/InSeヘテロジャンクションは、低電圧で負微分抵抗を示すか？
• RQ4 電界ゲート制御は、2次元TFETにおけるオン/オフ電流比をどの程度向上できるか？
• RQ5 BP/InSeヘテロ構造におけるバンドアライメントは、トンネル効率とデバイス機能性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• BP/InSeヘテロジャンクションは、電界ゲート制御により最大10⁸のチューナブルなオン/オフ電流比を示した。
• 低電圧（約0.2 V）で負微分抵抗が観測され、強い非線形トンネル効果を示した。
• BPの厚さやゲート電圧を変化させることで、順方向整流、ゼナーツーリング、逆方向整流といった異なる電気的特性が達成された。
• BPとInSe間のタイプIIバンドオフセットにより、トンネル効果に有利な導電帯と価電子帯のアライメントが実現され、層間帯対帯トンネル効果が可能になった。
• トンネル電流のゲートによる強いチューナビリティが確認され、2次元ヘテロ構造が再設定可能なTFETの実現可能性を裏付けた。
• 低電圧での観察されたNDR挙動は、低消費電力論理およびスイッチング応用への応用可能性を示唆している。