[論文レビュー] Negative differential resistances with back gate-controlled lowest operation windows in graphene double barrier resonant tunneling diodes

Yu Song, Han‐Chun Wu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2012

Graphene research and applications参考文献 34被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、バックゲートで調整可能なほぼ構造フリーな最低負微分抵抗（NDR）動作窓を有するグラフェン二重ショックレジスタントトンネルダイオード（DB RTD）を提案する。アンビポーラ輸送と可変バンドギャップを活用することで、NDR窓はフェルミエネルギー付近に固定され、バックゲートにより正確に制御可能となり、バンドギャップの増加に伴いピーク対谷電流比（PVR）が指数関数的に向上する。

ABSTRACT

We theoretically investigate negative differential resistance (NDR) of massless and massive Dirac Fermions in double barrier resonant tunneling diodes based on sufficiently short and wide graphene strips. The current-voltage characteristics calculated in a rotated pseudospin space show that, the NDR feature only presents with appropriate structural parameters for the massless case and the peak-to-valley current ratio can be enhanced exponentially by a tunable band gap. Remarkably, the lowest NDR operation window is nearly structure-free and can be almost solely controlled by a back gate, which may have potential applications in NDR devices with the operation window as a crucial parameter.

研究の動機と目的

• 質量零のおよび質量のあるディラックフェルミオンを有するグラフェン二重ショックレジスタントトンネルダイオード（DB RTD）における負微分抵抗（NDR）の検討。
• 構造的パラメータおよびバンドギャップ工学がNDR特徴の有効化および強化に果たす役割の特定。
• 外部のバックゲート電圧による最低NDR動作窓（OW）の制御の探求。
• 実用的デバイス応用のためのピーク対谷電流比（PVR）を最大化する条件の同定。
• 共鳴トンネル、ホールから電子への輸送、およびクライントンネルの相乗作用がNDR挙動を決定づけるメカニズムの分析。

提案手法

• バリア長 $l_1, l_2$、高さ $V_{t1}, V_{t2}$ を有する2つの長方形バリアで構成され、長さ $d$ のウェルで分離された対称的構造のグラフェンDB RTDをモデル化。バッファ領域および理想接触を含む。
• ソース・ドレイン電圧 $V_b$ を用いて $x$ 方向に線形な電圧降下を適用。フェルミエネルギー $E_F$ はバックゲートにより調整可能。
• 回転した擬スピン空間におけるランダウエア・ビュッテイカー形式を用いて電流-電圧（I-V）特性を計算。
• 有効ポテンシャルを用いてトンネルをモデル化し、可変バンドギャップ $\delta$ の影響を含む。
• 輸送状態の分析：電子-電子輸送（I）、ホール-電子輸送（II）、制限付きホール-電子輸送（III）。
• フェルミエネルギーおよびバンドギャップの関数としてピーク対谷電流比（PVR）および動作窓（OW）を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量零のディラックフェルミオンを有する対称的グラフェンDB RTDでNDRを達成可能か？そのために必要な構造的パラメータは何か？
• RQ2 可変バンドギャップは、グラフェンベースのNDRデバイスにおけるピーク対谷電流比（PVR）にどのように影響するか？
• RQ3 最低NDR動作窓を構造的パラメータから完全に分離し、バックゲートによる単独制御にできるか？
• RQ4 アンビポーラ輸送およびクライントンネルが、グラフェンRTDにおけるNDR特性をどのように形成するか？
• RQ5 金属接触からの静電的ジャンクションが、実際のデバイスにおけるNDR挙動および動作窓に与える影響は何か？

主な発見

• 最低NDR動作窓は構造的パラメータにほとんど依存せず、フェルミエネルギー付近に固定され、バックゲートによるほぼ完全な制御が可能である。
• ピーク対谷電流比（PVR）はバンドギャップの増加に伴いほぼ指数関数的に増加し、$\delta < 2.8$ の範囲では $\textrm{PVR} \approx 0.9832 + 0.0413\textrm{e}^{1.29\delta}$ の関係に従う。
• フェルミエネルギーが $\epsilon_F = 2.8$ の場合、ギャップなし状態ではPVRは約1.02にとどまるが、バンドギャップの調整により著しく向上する。
• 最低NDR OWの幅はバンドギャップの増加に伴い一時的に増加し、その後わずかに減少するが、中心位置はほとんど変化しない。
• バンドギャップの存在により、有害なホール-電子輸送およびクライントンネルが抑制され、共鳴トンネルが強化され、より強いNDRが実現される。
• 金属接触からの現実的な静電的ジャンクションが存在しても、NDR挙動の定性的な特徴およびOWのバックゲート制御は維持されるが、$eV_b = E_F - eV_{MC}$ にずれる。