[论文解读] Dual gate black phosphorus velocity modulated transistor

V. Tayari, N. Hemsworth+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2015

2D Materials and Applications参考文献 18被引用 12

一句话总结

本论文展示了双栅黑磷场效应晶体管在室温下作为速度调制晶体管（VMT）的运行，通过顶栅调控空穴密度分布实现两倍的迁移率调制，通过同时调节迁移率和肖特基势垒电阻实现四倍的跨导调制。结果凸显了二维原子晶体中电荷密度分布对载流子输运的关键作用。

ABSTRACT

The layered semiconductor black phosphorus has attracted attention as a 2D atomic crystal that can be prepared in ultra-thin layers for operation as field effect transistors. Despite the susceptibility of black phosphorus to photo-oxidation, improvements to the electronic quality of black phosphorus devices has culminated in the observation of the quantum Hall effect. In this work, we demonstrate the room temperature operation of a dual gated black phosphorus transistor operating as a velocity modulated transistor, whereby modification of hole density distribution within a black phosphorus quantum well leads to a two-fold modulation of hole mobility. Simultaneous modulation of Schottky barrier resistance leads to a four-fold modulation of transcon- ductance at a fixed hole density. Our work explicitly demonstrates the critical role of charge density distribution upon charge carrier transport within 2D atomic crystals.

研究动机与目标

• 研究二维黑磷（bP）场效应晶体管中电荷密度分布对载流子输运的影响。
• 通过双栅静电调控，展示黑磷中室温下速度调制晶体管（VMT）的运行。
• 分离并量化迁移率调制与肖特基势垒电阻调制对跨导增强的贡献。
• 通过HMDS修饰的SiO2基底和聚合物封装，稳定黑磷场效应晶体管，确保长期器件完整性。
• 建立通过外加栅压调控黑磷量子阱特性的平台，用于电子学和光电子学应用。

提出的方法

• 在氧气和水含量低于5 ppm的氮气手套箱中，使用PDMS转印技术剥离纳米尺度的黑磷薄片。
• 将剥离的黑磷转移到HMDS修饰的Si/SiO2基底上，以抑制电荷转移掺杂和表面吸附物。
• 利用电子束光刻和5 nm Ti/80 nm Au沉积工艺，制造电极和双栅结构。
• 通过原子层沉积在顶栅上沉积25 nm的Al2O3介质层，随后定义顶栅金属电极。
• 最终通过300 nm MMA和200 nm PMMA聚合物进行封装，防止光氧化。
• 在室温和77 K下进行准直流和锁相交流测量，以表征I-V特性、跨导、迁移率和接触电阻。

实验结果

研究问题

• RQ1 黑磷场效应晶体管中的双栅调控是否可通过迁移率调制实现在室温下的速度调制晶体管（VMT）运行？
• RQ2 顶栅电压在多大程度上影响黑磷量子阱中空穴密度的空间分布和散射机制？
• RQ3 在固定载流子密度下，顶栅调制对肖特基势垒电阻的影响程度如何？
• RQ4 迁移率与肖特基势垒调制的联合效应在多大程度上增强黑磷场效应晶体管的跨导？
• RQ5 表面处理（HMDS）和聚合物封装对黑磷场效应晶体管的长期稳定性及电子特性有何影响？

主要发现

• 通过将顶栅电压从0 V调节至-4 V，在固定空穴密度4×10¹¹ cm⁻²下，实现了两终端跨导四倍增强。
• 由于顶栅引起的空穴密度分布和散射机制变化，黑磷沟道中观察到两倍的迁移率调制。
• 通过顶栅控制，接触电阻实现了两倍的调制，证实了对注入区的强静电耦合。
• 器件在六个月内表现出稳定的I-V特性，表明HMDS和聚合物封装有效防止了光氧化。
• 双栅结构实现了对载流子迁移率和肖特基势垒电阻的同步调控，验证了二维半导体中VMT机制的可行性。
• 原子力显微镜确认顶栅下方黑磷厚度为32 nm，封装有效保持了器件完整性和性能。