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

Quanshan Lv, Faguang Yan+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2020

2D Materials and Applications参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究展示了基于黑磷（BP）和硒化铟（InSe）的范德华异质结隧穿场效应晶体管中可调谐的层间带隙间隧穿及负微分电阻特性。通过调控BP厚度和电场栅压，器件实现了高达10⁸的开关比以及在约0.2 V电压下的负微分电阻，为低功耗电子器件提供了多功能TFET应用潜力。

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.

研究动机与目标

• 通过黑磷（BP）和硒化铟（InSe）实现二维范德华异质结中可调谐的层间带隙间隧穿。
• 通过厚度调控和电场栅压，实现正向整流、齐纳隧穿和反向整流等多种电学特性。
• 在低偏置电压下实现负微分电阻（NDR），为潜在的低功耗逻辑应用提供支持。
• 优化二维异质结中的能带排列，以增强隧穿电流并提升器件性能。

提出的方法

• 采用机械剥离法获得BP和InSe纳米片，构建范德华异质结垂直异质结构。
• 通过调控BP层厚度来调节能带排列和隧穿特性。
• 施加背电场栅压以调制费米能级，诱导异质结界面处的带隙间隧穿。
• 在不同栅压条件下测量电流-电压（I-V）特性，以识别隧穿行为模式及负微分电阻现象。
• 利用BP与InSe之间的II型能带偏移，实现高效的层间带隙间隧穿。
• 分析隧穿电流随栅压和BP厚度的变化关系，提取器件性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过厚度和栅压调控，在BP/InSe范德华异质结中有效调控层间带隙间隧穿？
• RQ2 BP/InSe TFET器件中可实现哪些电学输运模式（正向整流、齐纳隧穿、反向整流）？
• RQ3 BP/InSe异质结是否在低偏置电压下表现出负微分电阻？
• RQ4 电场栅压在多大程度上可增强二维TFET的开关电流比？
• RQ5 BP/InSe异质结构中的能带排列在多大程度上影响隧穿效率和器件功能？

主要发现

• 通过电场栅压调控，BP/InSe异质结实现了高达10⁸的可调谐开关电流比。
• 在低偏置电压（约0.2 V）下观察到负微分电阻，表明存在强烈的非线性隧穿行为。
• 通过改变BP厚度或栅压，实现了正向整流、齐纳隧穿和反向整流等多种电学特性。
• BP与InSe之间的II型能带偏移使导带和价带实现有利对齐，从而实现高效的层间带隙间隧穿。
• 器件表现出强烈的栅压可调谐隧穿电流，证实了二维异质结在可重构TFET中的可行性。
• 在低电压下观测到的NDR行为表明其在低功耗逻辑与开关应用中具有潜在前景。