[논문 리뷰] Engineering Schottky Barrier in Black Phosphorus field effect devices for spintronic applications

M. Venkata Kamalakar, B. N. Madhushankar외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 17.

Semiconductor materials and interfaces참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 티타니아/코발트 페라이오매틱 터널 접합을 사용하여 블랙 포토니크스 필드효과 트랜지스터에서 조절 가능한 쇼트키 장벽을 구현함으로써, 50meV 미만의 장벽과 최대 6개의 자리수에 이르는 높은 온/오프 비율을 달성하였다. 설계된 이종구조는 효율적인 스핀 주입 및 정공의 탐지 가능성을 제공하며, 정공의 실온 이동도가 약 155 cm² V⁻¹s⁻¹이고 전자의 이동도가 약 0.18 cm² V⁻¹s⁻¹임을 고려할 때, 저전력 스핀트로닉스 장치의 잠재력 있는 플랫폼으로서 블랙 포토니크스를 입증한다.

ABSTRACT

Black phosphorous (BP) is is recently unveiled as a promising two-dimensional direct bandgap semiconducting material. Here, we report the ambipolar field effect transistor behavior of multilayers of BP with ferromagnetic tunnel contacts. We observe a reduced of Schottky barrier < 50 meV by using TiO${_2}$/Co contacts, which could be further tuned by gate voltages. Eminently a good transistor performance is achieved in BP devices, with drain current modulation on the order of four to six orders of magnitude. The charge carrier mobility is found to be $\sim$ 155 and 0.18 cm${^2}$ V${^{-1}}$ s${^{-1}}$ for holes and electrons respectively at room temperature. Furthermore, magnetoresistance calculations reveal that the resistances of the BP device with applied gate voltages are in the appropriate range for injection and detection of spin polarized holes. Our results demonstrate the prospect of engineering BP nanolayered devices for efficient nanoelectronic and spintronic applications.

연구 동기 및 목표

• 블랙 포토니크스를 두께가 얇은 반도체로 활용하여 스핀트로닉스 응용 가능성을 탐색하는 것.
• 효율적인 전하 및 스핀 운반자 운반을 위한 금속-블랙 포토니크스 인터페이스에서 쇼트키 장벽 높이를 감소시키고 조절하는 것.
• 양극성 거동과 높은 운반자 이동도를 갖춘 고성능 필드효과 트랜지스터를 구현하는 것.
• 게이트 전압 제어 하에 블랙 포토니크스 기반 이종구조에서의 스핀 주입 및 탐지 잠재력을 평가하는 것.
• 실온에서 블랙 포토니크스가 조절 가능한 운반성질을 갖추고 있어 효율적인 스핀트로닉스 작동을 지원할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 티타니아/코발트 페라이오매틱 터널 접합을 갖춘 다층 블랙 포토니크스 필드효과 트랜지스터의 제작.
• 게이트 전압을 이용하여 금속-반도체 인터페이스에서의 쇼트키 장벽 높이를 동적으로 조절하는 것.
• 드레인 전류 조절 및 운반자 이동도를 포함한 양극성 운반 특성 측정.
• 장치에서의 스핀 주입 및 탐지 효율을 평가하기 위해 자화저항 측정 수행.
• 쇼트키 장벽 높이를 감소시키고 터널링 효율을 향상시키기 위해 티타니아 인터레이어 사용.
• 게이트 전압 변화에 따른 전하 운반 및 스핀 의존 저항 분석을 통해 스핀트로닉스 적합성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속-블랙 포토니크스 인터페이스에서 쇼트키 장벽을 설계하여 효율적인 스핀 주입이 가능한가?
• RQ2 게이트 전압은 블랙 포토니크스 필드효과 트랜지스터에서의 쇼트키 장벽 높이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 페라이오매틱 접합을 갖춘 블랙 포토니크스 FET에서 온/오프 비율과 운반자 이동도를 얼마나 최적화할 수 있는가?
• RQ4 장치의 저항 범위는 스핀 분극 정공의 주입 및 탐지에 적합한가?
• RQ5 블랙 포토니크스는 조절 가능한 운반성질을 갖추고 실온에서 효율적인 스핀트로닉스 작동을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 티타니아/코발트 접합을 사용하여 쇼트키 장벽 높이를 50meV 이하로 감소시켜 효율적인 터널링을 가능하게 하였다.
• 드레인 전류 조절 범위가 최대 6개 자리수에 이르며, 뛰어난 트랜지스터 성능을 나타내었다.
• 실온에서 정공 이동도는 약 155 cm² V⁻¹s⁻¹에 도달하였고, 전자 이동도는 약 0.18 cm² V⁻¹s⁻¹이었다.
• 게이트 전압 조절을 통해 쇼트키 장벽을 동적으로 제어하여 조절 가능한 주입 효율을 확보하였다.
• 자화저항 측정 결과, 장치 저항이 스핀 분극 정공 주입 및 탐지에 최적 범위에 있음을 확인하였다.
• 결과적으로 실온에서 블랙 포토니크스를 사용한 효율적인 나노전자 및 스핀트로닉스 장치의 구현 가능성을 입증하였다.