[논문 리뷰] Coulomb drag transistor via graphene/MoS2 heterostructures

Youngjo Jin, Min‐Kyu Joo외 6명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 31.

Graphene research and applications참고 문헌 27인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 그래핀/다이모리브덴 디 sulfide (MoS2) 이종구조를 기반으로 한 새로운 쿨롱 드레인 트랜지스터를 제안하며, 반데르발스 인터페이스에서 강한 다층 간 쿨롱 상호작용을 활용하여 슈트키 고리에 의해 전자-정공 쌍의 재결합을 억제함으로써 기능한다. 이 장치는 고온에서 높은 이동도 (~3,700 cm²V⁻¹s⁻¹) 와 높은 온/오프 비율 (~10⁸) 을 달성하였으며, 전자-전자 드레인 영역에서 쇼비니코프-드 하아스 진동을 관측하여 실온에서 실용적인 양자 2차원 이종구조 장치의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) heterointerfaces often provide extraordinary carrier transport as exemplified by superconductivity or excitonic superfluidity. Recently, double-layer graphene separated by few-layered boron nitride demonstrated the Coulomb drag phenomenon: carriers in the active layer drag the carriers in the passive layer. Here, we propose a new switching device operating via Coulomb drag interaction at a graphene/MoS2 (GM) heterointerface. The ideal van der Waals distance allows strong coupling of the interlayer electron-hole pairs, whose recombination is prevented by the Schottky barrier formed due to charge transfer at the heterointerface. This device exhibits a high carrier mobility (up to ~3,700 cm^2V^-1s^-1) even at room temperature, while maintaining a high on/off current ratio (~10^8), outperforming those of individual layers. In the electron-electron drag regime, graphene-like Shubnikov-de Haas oscillations are observed at low temperatures. Our Coulomb drag transistor could provide a shortcut for the practical application of quantum-mechanical 2D heterostructures at room temperature.

연구 동기 및 목표

• 2차원 반데르발스 이종구조에서 다층 간 쿨롱 드레인을 이용한 실온 스위칭 장치를 개발하기 위해.
• 강한 다층 결합과 슈트키 고리에 의한 재결합 억제를 통해 기존 2차원 이종구조의 한계를 극복하기 위해.
• 실용적 응용을 위해 단일 이종구조 장치에서 높은 운반자 이동도와 높은 온/오프 비율을 입증하기 위해.
• 쿨롱 드레인 영역에서 쇼비니코프-드 하아스 진동과 같은 양자 운반체 현상을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 강한 다층 쿨롱 상호작용을 극대화하기 위해 이상적인 반데르발스 다층 간격을 가진 그래핀/MoS2 이종구조를 사용하여 장치를 제작한다.
• 이종인터페이스에서의 전하 이동이 슈트키 고리를 형성하여 다층 전자-정공 쌍의 재결합을 억제한다.
• 양자 진동을 관측하고 쿨롱 드레인 효과를 확인하기 위해 저온에서 전기적 운반체 측정을 수행한다.
• 운반체가 능동 층에서 발생하는 쿨롱 상호작용에 의해 수동 층이 구동되는 전자-전자 드레인 영역에서 시스템이 작동한다.
• 게이트 전압으로 그래핀 층의 운반자 농도를 조절함으로써 필드효과 트랜지스터 구조를 통해 고이동도를 측정한다.
• 이론적 모델링은 다층 결합과 슈트키 고리가 드레인 전류를 안정화하는 데 기여하는 역할을 뒷받침한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 고성능을 보이는 그래핀/MoS2 이종구조에서 쿨롱 드레인 트랜지스터를 실현할 수 있는가?
• RQ2 이종인터페이스의 슈트키 고리가 다층 전자-정공 재결합과 장치 작동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다층 쿨롱 상호작용로 인해 그래핀 층의 운반자 이동도가 얼마나 향상되는가?
• RQ4 이 이종구조의 쿨롱 드레인 영역에서 쇼비니코프-드 하아스 진동과 같은 양자 진동을 관측할 수 있는가?
• RQ5 2차원 이종구조 장치에서 고이동도를 달성하면서도 높은 온/오프 전류 비율을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 장치는 실온에서 최대 약 ~3,700 cm²V⁻¹s⁻¹의 높은 운반자 이동도를 나타내어 운반체 성능을 크게 향상시켰다.
• 약 10⁸의 온/오프 전류 비율을 달성하여 강력한 스위칭 능력을 보였다.
• 저온에서 전자-전자 드레인 특성에 기인한 쇼비니코프-드 하아스 진동이 관측되어 응집된 many-body 효과를 확인하였다.
• 계면에서의 전하 이동으로 형성된 슈트키 고리는 다층 전자-정공 쌍의 재결합을 효과적으로 억제하였다.
• 반데르발스 이종구조는 최적의 다층 간격 덕분에 강한 다층 쿨롱 상호작용을 가능하게 하였다.
• 실온에서 작동하는 실용적인 양자 2차원 이종구조 장치의 실현 가능성을 입증하였다.