[논문 리뷰] Interlayer band-to-band tunneling and negative differential resistance in van der Waals BP/InSe field effect transistors

Quanshan Lv, Faguang Yan외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 28.

2D Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 흑백 인산염(BP)과 인듐硒화물(InSe) 기반의 반데르발스 이종접합 필드효과 트anz이터에서 조절 가능한 다층 터널링 및 음의 미분 저항을 보여준다. BP 두께와 전기적 게이팅을 제어함으로써 장치는 최대 10⁸의 on/off 비율과 약 0.2 V에서 음의 미분 저항을 나타내며, 저전력 전자소자에 적합한 다양한 TFET 기능을 실현한다.

ABSTRACT

Atomically thin layers of van der Waals (vdW) crystals offer an ideal material platform to realize tunnel field effect transistors (TFETs) that exploit the tunneling of charge carriers across the forbidden gap of a vdW heterojunction. This type of device requires a precise energy band alignment of the different layers of the junction to optimize the tunnel current. Amongst two-dimensional (2D) vdW materials, black phosphorus (BP) and indium selenide (InSe) have a Brillouin zone-centered conduction and valence bands, and a type II band offset, both ideally suited for band-to-band tunneling. Here, we demonstrate TFETs based on BP/InSe heterojunctions with diverse electrical transport characteristics: forward rectifying, Zener-tunneling and backward rectifying characteristics are realized in BP/InSe junctions with different thickness of the BP layer or by electrostatic gating of the junction. Electrostatic gating yields a large on/off current ratio of up to 108 and negative differential resistance at low applied voltages (V ~ 0.2V). These findings illustrate versatile functionalities of TFETs based on BP and InSe, offering opportunities for applications of these 2D materials beyond the device architectures reported in the current literature.

연구 동기 및 목표

• 흑백 인산염(BP)과 인듐硒화물(InSe)을 이용하여 2차원 반데르발스 이종접합에서 조절 가능한 다층 밴드-밴드 터널링을 실현하기.
• 두께 제어와 전기적 게이팅을 통해 정방향 정류, 제너 터널링, 역방향 정류 등의 다양한 전기적 특성을 달성하기.
• 낮은 적용 전압에서 음의 미분 저항(NDR)을 나타내어 저전력 논리 응용 가능성을 입증하기.
• 터널링 전류와 장치 성능을 향상시키기 위해 2차원 이종접합의 에너지 밴드 정렬을 최적화하기.

제안 방법

• 흑백 인산염(BP)과 인듐硒화물(InSe) 플레이크의 기계적 분리 방법을 이용해 수직 이종구조를 제작하여 반데르발스 이종접합을 형성하기.
• BP의 층 두께 제어를 통해 밴드 정렬과 터널링 특성을 조절하기.
• 전기적 뒷게이팅을 적용하여 페르미 수준을 조절하고 이종접합을 관통하는 밴드-밴드 터널링을 유도하기.
• 다양한 게이트 전압 하에서 전류-전압(I-V) 특성을 측정하여 터널링 영역과 NDR 행동을 식별하기.
• BP와 InSe 간의 타입-II 밴드 오프셋을 이용해 효율적인 다층 밴드-밴드 터널링을 가능하게 하기.
• 게이트 전압과 BP 두께에 따른 터널링 전류 의존성을 분석하여 장치 성능 지표를 도출하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BP/InSe 반데르발스 이종접합에서 두께 및 게이팅 제어를 통해 다층 밴드-밴드 터널링을 효과적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 BP/InSe TFET에서 어떤 전기적 운반 영역(정방향 정류, 제너 터널링, 역방향 정류)을 달성할 수 있는가?
• RQ3 BP/InSe 이종접합은 낮은 적용 전압에서 음의 미분 저항을 나타내는가?
• RQ4 전기적 게이팅은 2차원 TFET에서 on/off 전류 비율을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 BP/InSe 이종구조의 밴드 정렬은 터널링 효율성과 장치 기능성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• BP/InSe 이종접합은 전기적 게이팅을 통해 최대 10⁸의 조절 가능한 on/off 전류 비율을 나타낸다.
• 낮은 적용 전압(~0.2 V)에서 음의 미분 저항이 관측되어 강한 비선형 터널링 행동을 나타낸다.
• BP 두께나 게이트 전압를 변화시킴으로써 정방향 정류, 제너 터널링, 역방향 정류 등의 다양한 전기적 특성을 달성할 수 있다.
• BP와 InSe 간의 타입-II 밴드 오프셋 덕분에 전도대와 가 valence 밴드가 터널링에 유리하게 정렬되어 다층 밴드-밴드 터널링이 가능해진다.
• 장치는 터널링 전류의 강력한 게이트 조절성을 보이며, 재구성 가능한 TFET에 대한 2차원 이종구조의 실현 가능성을 확인한다.
• 낮은 전압에서 관측된 NDR 행동은 저전력 논리 및 스위칭 응용 분야에 잠재적 가능성을 시사한다.