[논문 리뷰] Large-area solution-grown 2D tellurene for air-stable, high-performance field-effect transistors

Yixiu Wang, Gang Qiu외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 20.

2D Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 두께 조절 가능(단층에서 수십 나노미터까지)하고 100 µm까지의 횡방향 치수를 갖는 대면적, 고품질 2차원 텔루르렌을 성장시키기 위한 기질이 없는 용액 공정을 제시한다. 얻어진 필드효과 트랜지스터는 공기 중에서 2개월 이상 안정된 성능을 보이며, on/off 비율은 약 10⁶, 필드효과 이동도는 약 700 cm²/Vs이며, 채널 길이를 단축하고 고-k 절연체를 통합함으로써 1 A mm⁻¹의 높은 온상 전류 밀도를 달성한다.

ABSTRACT

The reliable production of two-dimensional crystals is essential for the development of new technologies based on 2D materials. However, current synthesis methods suffer from a variety of drawbacks, including limitations in crystal size and stability. Here, we report the fabrication of large-area, high-quality 2D tellurium (tellurene) using a substrate-free solution process. Our approach can create crystals with a process-tunable thickness, from monolayer to tens of nanometres, and with lateral sizes of up to 100 um. The chiral-chain van der Waals structure of tellurene gives rise to strong in-plane anisotropic properties and large thickness dependent shifts in Raman vibrational modes, which is not observed in other 2D layered materials. We also fabricate tellurene field-effect transistors, which exhibit air-stable performance at room temperature for over two months, on off ratios on the order of 106 and field-effect mobilities of around 700 cm2 per Vs. Furthermore, by scaling down the channel length and integrating with high-k dielectrics, transistors with a significant on-state current density of 1 A mm-1 are demonstrated.

연구 동기 및 목표

• 대규모, 기질이 없는 용액 공정을 개발하여 대면적, 고품질 2차원 텔루르렌 결정을 성장시키는 것.
• 텔루르렌의 두께를 단층에서 수십 나노미터까지 조절 가능한 방법을 확보하는 것.
• 텔루르렌의 고유한 이방성 및 두께에 의존하는 라만 특성을 활용하여 재료 특성 분석을 수행하는 것.
• 용액성장 텔루르렌 기반의 공기 안정성과 고성능 필드효과 트랜지스터를 제작하는 것.
• 채널 길이 단축 및 고-k 절연체 통합을 통해 높은 온상 전류 밀도를 달성하는 것.

제안 방법

• 기질이 없는 용액 공정을 활용하여 용액에서 직접 2차원 텔루르렌 결정을 성장시켜 대면적 합성을 가능하게 하는 것.
• 공정 조건을 제어하여 단층에서 수십 나노미터까지 두께 조절이 가능한 방법 확보.
• 텔루르렌의 나선형 체인 반데르발스 구조를 이용하여 강한 면내 이방성과 측정 가능한 두께 의존성 라만 이동을 유도하는 것.
• 용액성장 텔루르렌을 반도체 채널로 사용하여 바닥 게이트 필드효과 트랜지스터를 제작하는 것.
• 고-k 절연체를 통합하고 채널 길이를 단축시켜 장치 성능을 향상시키는 것.
• 환경 조건에서 전기적 측정을 수행하여 공기 중 안정성 및 성능 지표를 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기질이 없는 용액 공정을 통해 두께 조절이 가능한 대면적, 고품질 2차원 텔루르렌을 신뢰성 있게 제조할 수 있는가?
• RQ2 텔루르렌의 면내 이방성 및 두께 의존성 라만 특성은 어떻게 나타나며 재료 특성 분석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 용액성장 텔루르렌 트랜지스터는 장기간에 걸쳐 공기 중에서도 안정된 전기적 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 이러한 트랜지스터에서 실현 가능한 필드효과 이동도와 on/off 비율은 무엇인가?
• RQ5 채널 길이 단축 및 고-k 절연체 통합을 통해 온상 전류 밀도는 어느 정도 향상될 수 있는가?

주요 결과

• 기질이 없는 용액 공정을 통해 횡방향 치수 최대 100 µm, 두께는 단층에서 수십 나노미터까지 조절 가능한 2차원 텔루르렌 결정을 성공적으로 제조하였다.
• 텔루르렌의 나선형 체인 반데르발스 구조는 강한 면내 이방성과 관측 가능한 두께 의존성 라만 진동 모드 이동을 유도하였다.
• 용액성장 텔루르렌 기반 필드효과 트랜지스터는 실온에서 공기 중에서 2개월 이상 안정된 성능을 보였다.
• 장치는 on/off 비율 약 10⁶ 및 필드효과 이동도 약 700 cm²/Vs를 나타내었다.
• 채널 길이를 단축하고 고-k 절연체를 통합함으로써 1 A mm⁻¹의 높은 온상 전류 밀도를 크게 향상시켰다.