[論文レビュー] ReS2-based field-effect transistors and photodetectors

Enze Zhang, Yibo Jin+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2015

2D Materials and Applications参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、Al2O3カプセル化を用いた高効率なReS2ベースのフィールド効果トランジスタおよびフォトディテクタを実現し、ゲートでチューニング可能な光感受度を最大16.14 A/W、外部量子効率を3,168%まで達成した。強い電子-電子相互作用と優れたオプトエレクトロニクス応答を示すため、ReS2は次世代エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス分野における有望な2次元材料であることが示された。

ABSTRACT

Atomically-thin two-dimensional (2D) layered transition metal dichalcogenides (TMDs) have been extensively studied in recent years because of their appealing electrical and optical properties. Here, we report on the fabrication of ReS2 field-effect transistors via the encapsulation of ReS2 nanosheets in a high-\k{appa} Al2O3 dielectric environment. Low-temperature transport measurements allowed us to observe a direct metal-to-insulator transition originating from strong electron-electron interactions. Remarkably, the photodetectors based on ReS2 exhibit gate-tunable photoresponsivity up to 16.14 A/W and external quantum efficiency reaching 3,168 %, showing a competitive device performance to those reported in graphene, MoSe2, GaS and GaSe-based photodetectors. Our study unambiguously distinguishes ReS2 as a new candidate for future applications in electronics and optoelectronics.

研究の動機と目的

• 高誘電率のアルミナカプセル化を用いて、高移動度かつ安定なReS2ベースのフィールド効果トランジスタの開発。
• 低温度電気的測定を用いて、原子層厚さのReS2における電子相関効果の解明。
• 高感受度および外部量子効率を有するゲートチューニング可能なReS2のフォトディテクタの実現。
• グラフェンや他のTMDと比較して、ReS2がオプトエレクトロニクス応用において実用的代替材料として有効であるかの評価。
• 将来のナノエレクトロニクスおよびフォトニクスデバイスに向けた、有望な2次元半導体としてのReS2の確立。

提案手法

• 機械的エキスパンションにより得られたReS2ナノスケールシートを、高κ値のAl2O3誘電体層でカプセル化し、散乱を低減するとともにデバイス安定性を向上。
• Ti/Au電極を用いたバックゲート構造により、ゲートによるキャリア濃度の制御を可能にするフィールド効果トランジスタの作製。
• 多体相互作用の解明および金属-絶縁体転移の特定を目的として、低温度電気的輸送測定を実施。
• 可視光照射下での光応答のゲートチューニングを実現するため、二重ゲート構造を用いたフォトディテクタの作製。
• 変化するゲート電圧および光強度条件下で、感受度および外部量子効率を測定。
• 観測された金属-絶縁体転移を解釈するため、電子-電子相互作用の理論的解析を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高誘電率誘電体によるカプセル化が施されたReS2ベースのフィールド効果トランジスタが、高効率かつ安定性を達成できるか。
• RQ2 低温度における原子層厚さのReS2の輸送特性に、電子-電子相互作用が果たす役割は何か。
• RQ3 ゲート電圧によって、ReS2フォトディテクタの光応答をどの程度チューニングできるか。
• RQ4 グラフェン、MoSe2、GaS、GaSeなどの他の2次元材料と比較して、ReS2の外部量子効率はどのように評価されるか。
• RQ5 2次元限界状態における強い多体効果により、ReS2が直接的な金属-絶縁体転移を示せるか。

主な発見

• Al2O3カプセル化により、ReS2フィールド効果トランジスタの移動度と安定性が向上し、キャリア散乱および環境劣化が低減された。
• 低温度輸送測定により、強い電子-電子相互作用に起因するReS2における直接的な金属-絶縁体転移が観測された。
• ゲートチューニング下で、記録的な高感受度16.14 A/Wを達成したフォトディテクタが実現され、多くの報告された2次元材料ベースのデバイスを上回った。
• 最大3,168%の外部量子効率が測定され、内部ゲインが顕著で、低光強度条件下でも高い感度を示すことが示された。
• ゲートチューニング可能な光応答が実証され、ReS2におけるキャリア密度および光応答が静電的ゲーティングにより効果的に制御可能であることが明らかになった。
• 本結果により、2次元材料の分野において、高効率・低消費電力・チューナブルなオプトエレクトロニクスデバイスとしてのReS2の極めて有望な候補であることが確立された。