[论文解读] Engineering Schottky Barrier in Black Phosphorus field effect devices for spintronic applications

M. Venkata Kamalakar, B. N. Madhushankar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2014

Semiconductor materials and interfaces参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究通过使用TiO₂/Co铁磁隧道接触，在黑磷场效应晶体管中实现了可调谐的肖特基势垒，实现了低于50 meV的势垒高度和高达六个数量级的高开/关比。所设计的异质结构可实现高效的自旋注入与自旋探测，确立了黑磷作为低功耗自旋电子器件的有前途平台，其空穴室温迁移率约为155 cm² V⁻¹s⁻¹，电子迁移率约为0.18 cm² V⁻¹s⁻¹。

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.

研究动机与目标

• 探索利用黑磷作为二维半导体实现自旋电子应用的可行性。
• 降低并调节金属-黑磷界面处的肖特基势垒高度，以实现高效的电荷与自旋输运。
• 实现具有双极性行为和高载流子迁移率的高性能场效应晶体管。
• 在栅压调控下评估基于黑磷异质结构的自旋注入与探测潜力。
• 证明黑磷可在室温下支持高效的自旋电子操作。

提出的方法

• 制备具有TiO₂/Co铁磁隧道接触的多层黑磷场效应晶体管。
• 利用栅压动态调节金属-半导体界面处的肖特基势垒高度。
• 测量双极性输运特性，包括漏极电流调制与载流子迁移率。
• 通过磁阻测量评估器件中的自旋注入与探测效率。
• 使用TiO₂缓冲层降低肖特基势垒高度并提高隧穿效率。
• 分析在不同栅压下电荷输运与自旋依赖电阻，以评估其在自旋电子学中的适用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过工程化设计金属-黑磷界面处的肖特基势垒，以实现高效的自旋注入？
• RQ2 栅压对黑磷场效应晶体管中肖特基势垒高度有何影响？
• RQ3 在具有铁磁接触的黑磷FET中，开/关比与载流子迁移率可在多大程度上实现优化？
• RQ4 器件中的电阻范围是否适合自旋极化空穴的注入与探测？
• RQ5 黑磷能否在可调谐输运特性下支持室温下的自旋电子操作？

主要发现

• 通过使用TiO₂/Co接触，肖特基势垒高度降低至50 meV以下，实现了高效的隧穿。
• 实现了高达六个数量级的漏极电流调制，表明器件具有优异的晶体管性能。
• 室温下器件中的空穴迁移率约为155 cm² V⁻¹s⁻¹，电子迁移率约为0.18 cm² V⁻¹s⁻¹。
• 栅压调节实现了对肖特基势垒的动态控制，从而可调节自旋注入效率。
• 磁阻测量结果证实，器件电阻处于自旋极化空穴注入与探测的最佳范围内。
• 结果证明，黑磷可在室温下实现高效纳米电子与自旋电子器件的应用。