[论文解读] Simulation of Schottky-Barrier Phosphorene Transistors

Runlai Wan, Xi Cao+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

2D Materials and Applications参考文献 11被引用 3

一句话总结

本研究采用非平衡格林函数形式，模拟了肖特基势垒磷烯场效应晶体管，结果表明，较薄的栅氧化层会引致强烈的双向漏电流，尤其在较厚的磷烯层中更为显著。关键发现为，单层或双层磷烯能有效抑制漏电流并实现高导通电流，其性能强烈依赖于晶体学方向，这是由于其各向异性的输运特性。

ABSTRACT

Schottky barrier field-effect transistors (SBFETs) based on few and mono layer phosphorene are simulated by the non-equilibrium Green's function formalism. It is shown that scaling down the gate oxide thickness results in pronounced ambipolar I-V characteristics and significant increase of the minimal leakage current. The problem of leakage is especially severe when the gate insulator is thin and the number of layer is large, but can be effectively suppressed by reducing phosphorene to mono or bilayer. Different from two-dimensional graphene and layered dichalcogenide materials, both the ON-current of the phosphorene SBFETs and the metal-semiconductor contact resistance between metal and phosphorene strongly depend on the transport crystalline direction.

研究动机与目标

• 研究基于少层及单层磷烯的肖特基势垒场效应晶体管（SBFET）的性能极限。
• 分析栅氧化层厚度及磷烯层数对漏电流和双向行为的影响。
• 评估晶体学方向在决定磷烯SBFET导通电流和接触电阻方面的作用。
• 从漏电流和各向异性角度，比较磷烯SBFET与石墨烯及过渡金属二硫属化物器件的性能。

提出的方法

• 采用非平衡格林函数（NEGF）形式模拟磷烯SBFET中的电子输运。
• 对少层及单层磷烯在不同栅氧化层厚度下进行模拟。
• 模型考虑了金属-磷烯界面处的肖特基势垒形成。
• 基于磷烯的层状晶体结构，引入各向异性的能带结构和输运特性。
• 在源-漏和栅极配置下计算电流-电压（I–V）特性，以评估双向行为。
• 评估金属与磷烯之间接触电阻随晶体学方向的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 栅氧化层厚度如何影响磷烯SBFET中的漏电流和双向行为？
• RQ2 磷烯层数对最小漏电流和导通电流有何影响？
• RQ3 晶体学方向如何影响磷烯SBFET中的导通电流和金属-半导体接触电阻？
• RQ4 从漏电流和各向异性角度，磷烯SBFET与石墨烯及二硫属化物基SBFET相比如何？

主要发现

• 减小栅氧化层厚度会显著增加漏电流，并引发明显的双向I–V特性。
• 当栅氧化层较薄时，厚磷烯层（多层）表现出严重的漏电流，限制器件性能。
• 单层和双层磷烯即使在薄氧化层下也能有效抑制漏电流并保持高导通电流。
• 磷烯SBFET的导通电流具有显著的各向异性，取决于晶体学输运方向。
• 金属-磷烯接触电阻也随晶体学方向显著变化，影响整体器件效率。
• 与石墨烯或二硫属化物基器件相比，磷烯SBFET在电流和接触电阻方面均表现出更强的各向异性。