[論文レビュー] The Effect of Dielectric Capping on Few-Layer Phosphorene Transistors: Tuning the Schottky Barrier Heights

Han Liu, Adam T. Neal+3 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、原子層エピタクシー法（ALD）を用いたAl2O3の誘電体キャッピングを少数層ブラックホワイトリン場効果トランジスタに適用し、金属接点におけるシュットキー準位の高さが誘電体内の固定電荷によって調整されることを実証した。この調整により、p型からアンビポーラ型トランジスタ行動への逆転可能な遷移が可能となり、144 mA/mmの高いオン電流および95.6 cm²/V·sのホール移動度を達成した。

ABSTRACT

Phosphorene is a unique single elemental semiconductor with two-dimensional layered structures. In this letter, we study the transistor behavior on mechanically exfoliated few-layer phosphorene with the top-gate. We achieve a high on-current of 144 mA/mm and hole mobility of 95.6 cm2/Vs. We deposit Al2O3 by atomic layer deposition (ALD) and study the effects of dielectric capping. We observe that the polarity of the transistors alternated from p-type to ambipolar with Al2O3 grown on the top. We attribute this transition to the changes for the effective Schottky barrier heights for both electrons and holes at the metal contact edges, which is originated from fixed charges in the ALD dielectric.

研究の動機と目的

• 少数層ブラックホワイトリントランジスタの電気的特性に及ぼす誘電体キャッピングの影響を調査すること。
• 原子層エピタクシー法で成長したAl2O3に存在する固定電荷が金属接点におけるシュットキー準位の高さにどのように影響するかを理解すること。
• 誘電体誘起界面電荷を制御することで、トランジスタ動作をチューナブルにすること。
• 優れたキャリア輸送特性を示す、高機能なブラックホワイトリンベースの場効果トランジスタを実現すること。

提案手法

• チャネル材料として機械的剥離法で得た少数層ブラックホワイトリンフラクスを用いた。
• バックゲート構造を有するトップゲートトランジスタを、原子層エピタクシー法（ALD）を用いてAl2O3誘電体を堆積させることで作製した。
• ALD法で成長したAl2O3層に存在する固定電荷が、シュットキー準位の高さの調節に重要な要因であることが特定された。
• ゲートバイアスの変化に伴うp型からアンビポーラ型への遷移を分析するために電気的測定を実施した。
• ゲートバイアスを変化させた状態で、トランスファ特性および出力特性からオン電流およびホール移動度を抽出した。
• シュットキー準位の高さの調整メカニズムは、誘電体内の固定電荷による静電的影響に起因するとされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Al2O3誘電体キャッピングは、ブラックホワイトリントランジスタの金属接点におけるシュットキー準位の高さにどのように影響するか？
• RQ2 ALD法で成長したAl2O3に存在する固定電荷は、ブラックホワイトリンFETの輸送特性をどのように調節するか？
• RQ3 誘電体キャッピングは、少数層ブラックホワイトリントランジスタにおいてp型からアンビポーラ型への逆転可能な遷移を誘導できるか？
• RQ4 誘電体キャッピングを施した後のオン電流およびホール移動度の値は何か？

主な発見

• ALD法によるAl2O3誘電体キャッピングにより、少数層ブラックホワイトリンFETにおいて明確なp型からアンビポーラ型へのトランジスタ行動の遷移が観察された。
• p型からアンビポーラ型への極性反転は、Al2O3誘電体内の固定電荷によって、電子およびホールの有効シュットキー準位の高さが調節されたことに起因する。
• キャッピング処理を施したブラックホワイトリントランジスタでは、144 mA/mmという高いオン電流が達成された。
• ホール移動度は95.6 cm²/V·sに達し、誘電体キャッピング後の優れたキャリア輸送特性を示した。
• 観察されたシュットキー準位の高さの調整は、2次元半導体デバイスにおける接触特性を設計可能にする有効な道筋を示している。
• 本結果は、ALD法で成長したAl2O3による誘電体キャッピングが、ブラックホワイトリンベースの場効果トランジスタにおけるキャリア注入を効果的に制御可能であることを確認した。