[論文レビュー] Transport spectroscopy of ultraclean tunable band gaps in bilayer graphene

E. Icking, Luca Banszerus+12 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2022

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、グラファイトゲートを用いたファンデルワールスヘテロ構造により、二層グラフェン（BLG）において、不純物が最小限に抑えられた超クリーンで電気的にチューナブルなバンドギャップを実証した。最小限の不純物の影響により、抵抗が100 GΩを超える状態で最大120 meVのバンドギャップを達成した。有限バイアス輸送スペクトロスコピーにより、ゴールドやシリコンゲートデバイスを上回るほぼ理想に近い半導体的挙動が確認され、チューナブルトランジスタ、THz検出器、スピントロニクス素子への応用が可能となった。

ABSTRACT

The importance of controlling both the charge carrier density and the band gap of a semiconductor cannot be overstated, as it opens the doors to a wide range of applications, including, e.g., highly-tunable transistors, photodetectors, and lasers. Bernal-stacked bilayer graphene is a unique van-der-Waals material that allows tuning the band gap by an out-of-plane electric field. Although the first evidence of the tunable gap was already found ten years ago, it took until recent to fabricate sufficiently clean heterostructures where the electrically induced gap could be used to fully suppress transport or confine charge carriers. Here, we present a detailed study of the tunable band gap in gated bilayer graphene characterized by temperature-activated transport and finite-bias spectroscopy measurements. The latter method allows comparing different gate materials and device technologies, which directly affects the disorder potential in bilayer graphene. We show that graphite-gated bilayer graphene exhibits extremely low disorder and as good as no subgap states resulting in ultraclean tunable band gaps up to 120 meV. The size of the band gaps are in good agreement with theory and allow complete current suppression making a wide range of semiconductor applications possible.

研究の動機と目的

• 不純物を最小限に抑えることで、二層グラフェン（BLG）における超クリーンで静電的にチューナブルなバンドギャップの実現とその特性評価を目的とする。
• グラファイト、金、ドーピングされたシリコンといった異なるゲート材料が、バンドギャップの品質および輸送特性に与える影響を比較することを目的とする。
• グラファイトゲートを用いたBLG/hBNヘテロ構造が、最小限の準位状態を伴い、ほぼ理想に近い半導体的挙動を示すことを実証することを目的とする。
• 有限バイアス輸送スペクトロスコピーを用いて、理論的予測との整合性を検証し、チューナブルバンドギャップを裏付けること。
• トンネルFET、ダイオード、スピントロニクス素子を含む、BLGベースの高機能半導体デバイスへの応用を可能とする。

提案手法

• グラファイト、金、またはドーピングされたシリコンを底部ゲートとして用い、二重ゲート構造の二層グラフェン/六方晶窒化ホウ素（hBN）ファンデルワールスヘテロ構造を作製した。
• 局所化状態を介したトンネル輸送に敏感な、準位状態および不純物ポテンシャルのプローブとして、有限バイアス輸送スペクトロスコピーを採用した。
• バンドギャップエネルギーの抽出および熱活性化挙動の評価のため、温度依存輸送測定を実施した。
• 配置電場（D-field）を用いてバンドギャップをチューニングし、測定された抵抗および電導度の抑制と相関をとった。
• 導電度ダイヤモンドおよびギャップ領域における抵抗最大値の分析を通じて、異なるゲート材料間でのデバイス性能を比較した。
• 理想のBLGに対する理論的予測と照合し、バンドギャップのD-field依存性および尾状態の不在に注目して、結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 底部ゲート材料（グラファイト、金、Si/SiO2）の選択が、二層グラフェンにおけるチューナブルバンドギャップの品質にどのように影響するか？
• RQ2 二層グラフェンにおけるバンドギャップは、どれほどチューニング可能であり、輸送特性において真の絶縁状態にまで抑制可能か？
• RQ3 不純物や準位状態が、ゲート付き二層グラフェンデバイスの性能を制限する要因として果たす役割は何か？
• RQ4 有限バイアススペクトロスコピーは、BLGにおけるポテンシャル不純物および不純物状態の検出および定量にどのように寄与するか？
• RQ5 グラファイトゲートを用いたBLG/hBNヘテロ構造は、理論的予測における理想半導体的挙動とどの程度一致するか？

主な発見

• グラファイトゲートを用いた二層グラフェン/hBNヘテロ構造は、最大120 meVのバンドギャップを達成し、理論的予測と良好に一致した。
• バンドギャップ内では100 GΩを超える最大抵抗値が測定され、実験的制約の範囲内で、ほぼ完全な電流抑制を示した。
• グラファイトゲートデバイスでは顕著な準位状態やトラップ状態は観察されず、超クリーンな輸送および最小限の不純物を確認した。
• 有限バイアススペクトロスコピーにより、グラファイトゲートデバイスでは強い電導度抑制ダイヤモンドが観察され、安定したバンド絶縁体的挙動を示した。
• ゴールドおよびシリコンゲートデバイスでは、不純物由来の尾状態の兆候が、電導度の異常および抵抗対比の低下として観察された。
• グラファイトゲート技術は他のゲート材料を上回り、理想理論BLG挙動に最も近いデバイス性能を実現した。