[論文レビュー] Large-area solution-grown 2D tellurene for air-stable, high-performance field-effect transistors

Yixiu Wang, Gang Qiu+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2017

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、大面積で高品質な2次元テルルルールを、厚さを調整可能な（単層から数10 nmまで）および縦横寸法が最大100 µmのものとして、基板フリーの溶液プロセスを用いて成長させる手法を提示する。得られた場効果トランジスタは、2か月以上にわたり大気中で安定した性能を示し、オン/オフ比は約10⁶、場効果移動度は約700 cm²/Vsを達成しており、チャネル長のスケーリングと高kゲート酸化膜の統合により、1 A mm⁻¹の高いオン状態電流密度を実現した。

ABSTRACT

The reliable production of two-dimensional crystals is essential for the development of new technologies based on 2D materials. However, current synthesis methods suffer from a variety of drawbacks, including limitations in crystal size and stability. Here, we report the fabrication of large-area, high-quality 2D tellurium (tellurene) using a substrate-free solution process. Our approach can create crystals with a process-tunable thickness, from monolayer to tens of nanometres, and with lateral sizes of up to 100 um. The chiral-chain van der Waals structure of tellurene gives rise to strong in-plane anisotropic properties and large thickness dependent shifts in Raman vibrational modes, which is not observed in other 2D layered materials. We also fabricate tellurene field-effect transistors, which exhibit air-stable performance at room temperature for over two months, on off ratios on the order of 106 and field-effect mobilities of around 700 cm2 per Vs. Furthermore, by scaling down the channel length and integrating with high-k dielectrics, transistors with a significant on-state current density of 1 A mm-1 are demonstrated.

研究の動機と目的

• 大面積で高品質な2次元テルルルール結晶をスケーラブルかつ基板フリーの溶液プロセスで成長させるための開発。
• テルルルールの厚さを単層から数10ナノメートルまで調整可能にするための制御。
• テルルルールが示す固有の異方性および厚さ依存性のラマン特性を活用して材料の特徴付けを行う。
• 溶液成長したテルルルールを基に、大気中で安定した高機能性場効果トランジスタの作製。
• チャネル長のスケーリングと高kゲート酸化膜の統合により、高いオン状態電流密度を達成する。

提案手法

• 基板フリーの溶液プロセスを用いて、溶液から直接2次元テルルルール結晶を成長させ、大面積合成を実現する。
• プロセスパラメータを制御することで結晶の厚さを制御し、単層から数10ナノメートルまでの厚さの調整を可能にする。
• テルルルールのキラルチェーン型ファンデルワールス構造が、強い面内異方性および測定可能な厚さ依存性ラマンシフトを誘発することを活用する。
• 溶液成長したテルルルールを半導体チャネルとして用いて、ボトムゲート型場効果トランジスタを形成する。
• 高kゲート酸化膜を統合し、チャネル長を短縮することでデバイス性能を向上させる。
• 大気中条件下で電気的測定を実施し、大気安定性および性能指標を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板フリーの溶液プロセスは、厚さを調整可能な大面積で高品質な2次元テルルルールを信頼性高く生成できるか？
• RQ2 テルルルールの面内異方性および厚さ依存性ラマン特性は、どのように現れ、材料の特徴付けにどのように影響するか？
• RQ3 溶液成長したテルルルールトランジスタは、長期間にわたり大気中で安定した電気的性能を維持できるか？
• RQ4 このようなトランジスタで達成可能な場効果移動度およびオン/オフ比はどの程度か？
• RQ5 チャネル長のスケーリングと高kゲート酸化膜の統合によって、オン状態電流密度はどの程度向上できるか？

主な発見

• 基板フリーの溶液プロセスにより、縦横寸法が最大100 µmで、厚さが単層から数10ナノメートルまで調整可能な2次元テルルルール結晶が効果的に生成された。
• テルルルールのキラルチェーン型ファンデルワールス構造が、強い面内異方性および顕著な厚さ依存性ラマンモードシフトを誘発した。
• 溶液成長したテルルルールを用いた場効果トランジスタは、室温で2か月以上にわたり大気中で安定した性能を示した。
• デバイスはオン/オフ比が10⁶オーダーであり、場効果移動度は約700 cm²/Vsを達成した。
• チャネル長の短縮と高kゲート酸化膜の統合により、1 A mm⁻¹の顕著なオン状態電流密度が達成された。