[论文解读] Black phosphorus field-effect transistors

Likai Li, Yijun Yu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2014

2D Materials and Applications被引用 38

一句话总结

本文展示了通过少层黑磷成功制备场效应晶体管，其厚度低至几纳米。报道了室温下高达10⁵的开/关电流比以及在约10 nm厚度下高达~1000 cm²/Vs的迁移率，确立了黑磷作为下一代纳米电子器件中极具前景的二维半导体材料。

ABSTRACT

Two-dimensional crystals have emerged as a new class of materials with novel properties that may impact future technologies. Experimentally identifying and characterizing new functional two-dimensional materials in the vast material pool is a tremendous challenge, and at the same time potentially rewarding. In this work, we succeed in fabricating field-effect transistors based on few-layer black phosphorus crystals with thickness down to a few nanometers. Drain current modulation on the order of 10E5 is achieved in samples thinner than 7.5 nm at room temperature, with well-developed current saturation in the IV characteristics, both are important for reliable transistor performance of the device. Sample mobility is also found to be thickness dependent, with the highest value up to ~ 1000 cm2/Vs obtained at thickness ~ 10 nm. Our results demonstrate the potential of black phosphorus thin crystal as a new two-dimensional material for future applications in nano-electronic devices.

研究动机与目标

• 探索少层黑磷作为二维半导体器件候选材料的电子特性。
• 制备并表征基于机械剥离黑磷薄片、厚度可控的场效应晶体管。
• 评估黑磷晶体管的电学性能，包括电流调制、饱和行为及迁移率。
• 研究载流子迁移率在黑磷中的厚度依赖性。
• 确立黑磷在纳米电子应用中作为其他二维材料可行替代品的可行性。

提出的方法

• 采用机械剥离法获得厚度低至几纳米的少层黑磷薄片。
• 通过电子束蒸发沉积电极，形成顶栅场效应晶体管。
• 在室温下采用标准直流I-V特性测量方法表征器件性能。
• 施加栅压以调制沟道电导，实现场效应行为。
• 利用转移特性曲线的线性区提取迁移率。
• 系统分析不同薄片厚度下的厚度依赖性电学特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用少层黑磷制备出高性能的功能性场效应晶体管？
• RQ2 黑磷场效应晶体管在室温下的开/关电流比是多少？
• RQ3 黑磷中的载流子迁移率如何随厚度变化？
• RQ4 黑磷是否在其I-V特性中表现出充分发展的电流饱和行为？
• RQ5 黑磷能否实现适用于实际纳米电子应用的性能指标？

主要发现

• 在室温下，厚度低于7.5 nm的黑磷场效应晶体管实现了高达10⁵的开/关电流比。
• I-V特性中观察到充分发展的电流饱和行为，表明晶体管工作可靠。
• 在约10 nm厚度时，载流子迁移率最高可达~1000 cm²/Vs，显示出显著的厚度依赖性。
• 对于更薄和更厚的薄片，迁移率均下降，表明存在最佳性能厚度范围。
• 结果证实，黑磷是未来纳米电子器件中极具前景的二维半导体材料。
• 黑磷晶体管的电学性能与过渡金属二硫属化物等其他二维材料相当，且具有更优的开/关比。