[论文解读] The Effect of Dielectric Capping on Few-Layer Phosphorene Transistors: Tuning the Schottky Barrier Heights

Han Liu, Adam T. Neal+3 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2014

2D Materials and Applications被引用 7

一句话总结

本研究通过原子层沉积（ALD）在少层黑磷场效应晶体管上采用Al2O3作为电介质帽层，研究发现电介质中的固定电荷可调节金属接触处的肖特基势垒高度。通过调控该参数，实现了从p型到本征型晶体管行为的可逆转变，实现了144 mA/mm的高导通电流和95.6 cm²/V·s的空穴迁移率。

ABSTRACT

Phosphorene is a unique single elemental semiconductor with two-dimensional layered structures. In this letter, we study the transistor behavior on mechanically exfoliated few-layer phosphorene with the top-gate. We achieve a high on-current of 144 mA/mm and hole mobility of 95.6 cm2/Vs. We deposit Al2O3 by atomic layer deposition (ALD) and study the effects of dielectric capping. We observe that the polarity of the transistors alternated from p-type to ambipolar with Al2O3 grown on the top. We attribute this transition to the changes for the effective Schottky barrier heights for both electrons and holes at the metal contact edges, which is originated from fixed charges in the ALD dielectric.

研究动机与目标

• 研究电介质帽层对少层黑磷晶体管电学特性的影响。
• 理解原子层沉积（ALD）生长的Al2O3中固定电荷如何改变金属接触处的肖特基势垒高度。
• 通过调控电介质诱导的界面电荷，实现可调制的晶体管行为。
• 实现具有增强载流子输运性能的高性能黑磷基场效应晶体管。

提出的方法

• 采用机械剥离法制备的少层黑磷纳米片作为沟道材料。
• 通过原子层沉积（ALD）在背栅结构上制备顶栅晶体管，并沉积Al2O3电介质层。
• 确定ALD生长的Al2O3层中的固定电荷是影响肖特基势垒高度调制的关键因素。
• 通过电学测量分析从p型到本征型行为的极性转变。
• 在不同栅压条件下，从转移特性和输出特性中提取空穴迁移率与导通电流。
• 肖特基势垒高度调制的机理由电介质中固定电荷的静电效应所导致。

实验结果

研究问题

• RQ1 Al2O3电介质帽层如何影响黑磷晶体管金属接触处的肖特基势垒高度？
• RQ2 ALD生长的Al2O3中的固定电荷在调控黑磷FET输运特性中起什么作用？
• RQ3 电介质帽层是否能诱导少层黑磷晶体管从p型到本征型行为的可逆转变？
• RQ4 电介质帽层处理后的导通电流和空穴迁移率分别为多少？

主要发现

• 通过ALD在少层黑磷FET上实现Al2O3电介质帽层后，晶体管行为从p型明显转变为本征型。
• 极性反转归因于Al2O3电介质中固定电荷对电子和空穴有效肖特基势垒高度的调制。
• 帽层处理后的黑磷晶体管实现了144 mA/mm的高导通电流。
• 空穴迁移率达到95.6 cm²/V·s，表明电介质帽层后载流子输运性能优异。
• 观察到的肖特基势垒高度调制表明，为二维半导体器件的接触特性工程提供了可行路径。
• 结果证实，通过ALD生长的Al2O3电介质帽层可有效控制黑磷基场效应晶体管中的载流子注入。