[논문 리뷰] The Effect of Dielectric Capping on Few-Layer Phosphorene Transistors: Tuning the Schottky Barrier Heights

Han Liu, Adam T. Neal외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 12.

2D Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 소수층 인 phosphorene 필드효과 트랜지스터에 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 통해 Al2O3를 유전체 캡핑하여 수행되며, 고정된 전하가 유전체 내에서 금속 접합부의 쇼트키 장벽 높이를 조절함을 입증한다. 이러한 조절을 통해 p형에서 양극성 트랜지스터 행동으로의 가역적 전환이 가능해지며, 144 mA/mm의 높은 온-전류와 95.6 cm²/V·s의 정공 이동도를 달성한다.

ABSTRACT

Phosphorene is a unique single elemental semiconductor with two-dimensional layered structures. In this letter, we study the transistor behavior on mechanically exfoliated few-layer phosphorene with the top-gate. We achieve a high on-current of 144 mA/mm and hole mobility of 95.6 cm2/Vs. We deposit Al2O3 by atomic layer deposition (ALD) and study the effects of dielectric capping. We observe that the polarity of the transistors alternated from p-type to ambipolar with Al2O3 grown on the top. We attribute this transition to the changes for the effective Schottky barrier heights for both electrons and holes at the metal contact edges, which is originated from fixed charges in the ALD dielectric.

연구 동기 및 목표

• 소수층 인 phosphorene 트랜지스터의 전기적 특성에 유전체 캡핑이 미치는 영향을 조사하는 것.
• 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD)으로 증착된 Al2O3 내 고정 전하가 금속 접합부의 쇼트키 장벽 높이에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 유전체 유도 접합 전하를 제어함으로써 트랜지스터 행동을 조절 가능한 방식으로 가능하게 하는 것.
• 향상된 실리콘 운반 특성을 갖춘 고성능 인 phosphorene 기반 필드효과 트랜지스터를 달성하는 것.

제안 방법

• 채널 재료로 기계적으로 분리된 소수층 인 phosphorene 플레이크를 사용하였다.
• 백게이트 구조를 갖는 상부 게이트 트랜지스터를 제작하였으며, Al2O3 유전체는 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 통해 증착하였다.
• ALD로 증착된 Al2O3 층 내 고정 전하가 쇼트키 장벽 높이 조절에 영향을 주는 핵심 요인로 확인되었다.
• 게이트 전압 변화에 따른 전기적 측정을 수행하여 p형에서 양극성 행동으로의 극성 전환을 분석하였다.
• 전이 및 출력 특성에서 온-전류와 정공 이동도를 다양한 게이트 전압 조건에서 추출하였다.
• 쇼트키 장벽 높이 조절 메커니즘은 유전체 내 고정 전하의 전기적 영향으로 기인된 것으로 기인되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Al2O3 유전체 캡핑은 인 phosphorene 트랜지스터의 금속 접합부에서 쇼트키 장벽 높이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 ALD로 증착된 Al2O3 내 고정 전하는 인 phosphorene FET의 운반 특성을 어떻게 조절하는가?
• RQ3 유전체 캡핑은 소수층 인 phosphorene 트랜지스터에서 p형에서 양극성 행동으로의 가역적 전환을 유도할 수 있는가?
• RQ4 유전체 캡핑 후 도출된 온-전류와 정공 이동도 값은 무엇인가?

주요 결과

• ALD를 통해 수행된 Al2O3 유전체 캡핑으로 인해 소수층 인 phosphorene FET에서 p형에서 양극성 트랜지스터 행동으로의 명확한 전환이 유도되었다.
• 극성 반전은 Al2O3 유전체 내 고정 전하로 인해 전자 및 정공에 대한 효과적 쇼트키 장벽 높이가 조절됨으로써 발생하였다.
• 캡핑된 인 phosphorene 트랜지스터에서 높은 온-전류 144 mA/mm를 달성하였다.
• 정공 이동도는 95.6 cm²/V·s에 도달하여, 유전체 캡핑 이후 뛰어난 운반 특성을 나타내었다.
• 관측된 쇼트키 장벽 높이 조절은 2차원 반도체 장치의 접합 특성을 공학적으로 조절할 수 있는 실현 가능한 길을 보여주었다.
• 결과적으로, ALD로 증착된 Al2O3로 유전체 캡핑을 수행할 경우, 인 phosphorene 기반 필드효과 트랜지스터에서 운반체 주입을 효과적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.