研究背景
自L。 Esaki于1958年首次在重掺杂Ge p-n结中证明这一现象以来，负微分电阻（NDR）一直是固态电子器件中最热门的话题之一。近年来，随着2D层状材料的蓬勃发展，出现了多种表现出NDR特性的2D材料系统。其中最具代表性的是基于范德华异质结的隧穿器件，例如由具有交错或破碎能带排列异质结制成的Esaki二极管和由具有严格旋转排列异质结制成的谐振隧穿二极管。然而，由于相邻层之间通过物理范德华间隙的隧穿效率有限，在这些异质结中实现高峰值电流幅度仍然具有挑战性。除了上面提到的带间隧穿或谐振隧穿机制之外，还提出了几种基于单一2D材料的新型无结NDR概念，并被认为是传统NDR器件之外的有希望候选者。
成果介绍
有鉴于此，近日，武汉大学何军教授团队报道了双极性BP晶体管中独特NDR效应的调制。该效应由横向载流子分布的特定电场依赖性激活，并且与依赖于量子隧穿效应的传统NDR器件不同。NDR器件表现出高峰值电流密度 （34 μA μm-1） 和高工作温度。更重要的是，由于沟道和栅电极之间的强耦合，静电栅极可以有效地调制NDR峰值电流和峰/谷电压。此外，还证明了光可以作为NDR调制的额外端。这些发现可以提供对BP晶体管输运行为的重要见解，并有助于设计基于双极性半导体的电路。文章以“Modulation of Negative Differential Resistance in Black Phosphorus Transistors”为题发表在顶级期刊Advanced Materials上。
图文导读
图1。 器件结构和基本表征。（a）HfO2封装的背栅BP晶体管的结构示意图。（b）器件的光学显微图像。（c）拉曼光谱。（d）在有/无Cr接触下，20层BP计算的能带结构。（e&f）器件的输出和转移曲线。
图1a和b显示了NDR器件的结构示意图和典型的OM图像。该器件基于HfO2封装的多层BP晶体管，其中30 nm厚的Au层和18 nm厚的HfO2薄膜分别作为栅电极和介电层。全局背栅结构确保整个沟道处于静电栅控（栅极电流小于1 pA）的控制之下。BP薄片的厚度≈12。8 nm（≈20层），具有这种厚度的BP薄片通常显示出良好的双极性传导行为，而不会牺牲栅极可调性。相应的拉曼光谱如图1c所示，三个不同的特征峰出现在362。9、439。9和467。2 cm-1附近，归因于其Ag1、B2g和Ag2模式。图1d给出了有/无金属接触下，20层BP计算的能带结构。在原始BP中，在布里渊区的Γ点具有0。33 eV的直接带隙，导带底和价带顶分别为4。12和4。45 eV。当与Cr金属接触时，在BP的原始带隙中形成新的能带。这种强杂化使顶部接触下方的BP被金属化，这可以消除金属/半导体界面处的范德华间隙并有利于载流子注入。此外，Cr的功函数（4。5 eV）接近BP的价带顶，有利于空穴注入。图1e和f给出了器件在室温下的IDS-VDS输出和IDS-VG转移特性。观察到低偏压下的对称线性输出特性，表明形成了低电阻欧姆接触。转移特性显示出p极性主导的双极性传导，这可能源于多层BP的本征p掺杂特性和相对较低的空穴势垒。电荷中性点位于2 V左右，并随着VDS增加略微向正方向移动。因此，器件截止状态由栅极和漏极电压控制。值得注意的是，随着VDS增加，电流收敛区域也会出现。沟道和栅电极之间的强耦合（源自薄高k介电层）不仅可以通过施加低栅极电压对载流子浓度提供有效的静电控制，而且还可以使漏极电压沿沟道调制有效栅极场。
图2。 NDR 特性。（a）收敛区域不同漏极电压下的IDS-VG转移曲线。（b）固定VG=3 V下的IDS-VDS曲线。（c）NDR效应的示意图演示。
为了进一步研究器件VDS控制的转移特性，专注于收敛/交叉区域，即VG从3。5 V扫至2 V。如图2a所示，不同VDS下的n分支曲线纠缠在一起，这可能导致在某些栅极条件下漏极电流相对于VDS的非单调特性。IDS-VDS曲线表现出不寻常的折叠输出特性：即漏极电流在达到峰值后开始下降，而不是典型的电流饱和。对于VDS=3 V和2。5 V，在VG=3 V时估计的电子浓度分别为2。6×1012和4。2×1012 cm-2，大约对应于出现NDR特性的点。图2b显示了器件在VG=3 V下的双扫IDS-VDS曲线。放大的NDR区域显示在图2b的插图中，该区域在VDS扫描方向发生变化时表现出具有非常小迟滞的可逆N形特征。这表明电荷俘获效应对NDR特性几乎没有影响。峰值电流密度为 33。7 μA μm-1，超过了基于2D异质结的NDR器件（通常在纳安级范围内）。如此高的峰值电流密度将有助于获得快速动态响应和大输出功率，并触发多个电路的级联。峰值电流和谷值电流所在的电压分别定义为VPeak和VValley。这种NDR行为是双极性BP在特定栅极条件（VG>Vmin）下的本征特性，如图2c中的能带图所示。
NDR区域可以根据曲线的形状分为三个部分。在第一部分（I）中，当器件在小偏压（VDS<
图3。 栅极可调的NDR行为。（a）漏极电流的2D彩色图。（b）输出电导随VDS和VG的变化。
图3a显示了器件随VDS和VG变化的电流成像。在这种情况下，整个BP沟道在低偏压下被调节为n型。在各种VG上可以清楚地看到NDR行为，并表现出两个不同的特征：1）NDR可通过VG高度可调。在整个测试范围内，峰值电流密度和峰/谷电压都随VG增大而增加。这是因为沿BP沟道的载流子密度分布主要由静电栅极控制。对于较大的VG，在BP/HfO2界面处积累更多电子并进一步改变沟道电阻，因此需要更高的VDS来改变漏极附近的导电类型并激活NDR效应。因此，匹配的VG和VDS值（即它们在相同的电压范围内）对于实现良好的NDR至关重要。该特性也与图2a非常吻合，即对应于负电阻区域的转移曲线的交点随着VDS增加而向正方向移动。在较小VG下的输出特性中，NDR行为变得不那么明显，并在VG等于或低于2。5 V时开始消失。在这种情况下，器件工作在截止状态附近，沟道内仅存在少量载流子。因此，由于小的横向载流子密度对比，传导类型的开关变得不显眼。这种栅极可调的NDR行为可在多个BP器件中重现，而无需有意设计输运方向。此外，在负偏压条件下，随着负VDS增加，漏-栅电极之间的电位差继续增加，因此，电流表现出超线性行为，没有观察到NDR效应。相应的输出电导如图3b所示。在该VG区域中有几个带负值的区域（即gDS<0）。负gDS随VG增加而增加，在VG=3。6 V时达到-204 μS，优于2D垂直异质结。同时，gDS的局部极小点转移到高偏压区域。较高的VG会在低偏压（左上角）下产生较大的初始正gDS，在NDR区域会产生较大的负gDS，而最大的正gDS出现在较低的VG条件下，对应于右下角。在低偏压下，gDS由VG诱导的电子浓度决定。因此，更高的VG会导致更大的gDS。在高偏压下，gDS由电子和空穴共同决定，较低的VG更有利于在漏极侧积累空穴并实现扭结效应，从而产生最大的gDS。
图4。 温度依赖的NDR行为。（a-g）在不同温度下测量的不同栅极电压下BP晶体管的IDS-VDS曲线。（h&i）不同温度下VPeak和PVR与VG的关系图。（j）扭结效应的示意图。
图 4a-g给出了在不同温度下测量的各种栅极电压下BP晶体管的正向偏置输出特性。NDR行为表现出对温度的强烈依赖性，这可归因于器件中电子和空穴的不同注入模式。提取了相应的VPeak（相对于VG）并总结在图4h中。一方面，在不同温度下，观察到VPeak显示出随VG线性增加的趋势。高效的静电控制也可以通过其大于单位的栅极-漏极控制效率来证实。另一方面，在相同的栅极条件下，由于声子散射效应降低，VPeak随温度降低而增加。图4i给出了不同温度下PVR（峰-谷比）与VG的关系图。随着VG增加，首先观察到上升，然后是下降。如上所述，峰值电流和VPeak主要与最小载流子密度点的位置有关。这种独特的温度依赖特性不同于之前报道的分子器件和2D异质结隧穿器件，因为它们的NDR行为在较低温度下变得更加明显。
根据金属Cr和多层BP的能带排列，在正VG下对电子和空穴的不同势垒导致电子和空穴可以分别通过隧穿/热辅助隧穿和热电子发射注入沟道。因此，可以在低温下抑制来自漏极侧的空穴热注入。再加上低温下载流子浓度自然降低，空穴贡献的电流减少，电压在调节输运沟道方面的效率降低。因此，在正VG和100 K下，漏极端空穴的出现需要更高的VDS，并且在相同的VDS范围内没有观察到NDR效应。该器件仅表现出准饱和输出特性（图4a）。它还排除了自热效应导致NDR行为的可能性，因为载流子浓度在较低温度下变化更大。在更高的温度下，沟道中载流子浓度的增加允许漏极电压有效地控制漏极端空穴的积累，尤其是在低VG下。因此，NDR效应在150到330 K的宽温度范围内持续存在。当温度达到350 K时，由于热扰动较大，无法区分NDR行为，如图4g所示。另一个关键观察结果是，在某些栅极条件下，IDS-VDS曲线在NDR或准饱和区域之后表现出明显的扭结特性（主要描述电流将在高横向场中迅速增加）。这种现象是石墨烯和2D窄带隙双极性半导体的典型特征，也与高偏压下的传导类型切换有关，类似于NDR效应。扭结区域中增加的电流斜率可归因于BP的本征p掺杂特性。图4j给出了相应的示意图。在小栅极条件下更容易观察到扭结效应（电流增加更快），在这种情况下，BP沟道的片密度有限，并且在高偏压下更容易积累空穴。此外，与电子相比，由于势垒较低，空穴也更容易注入沟道。在这种情况下，从漏极流出的空穴比从源极流出的电子对电流的贡献更大。如上所述，将器件从室温冷却到低温可以抑制来自漏极侧的空穴热注入。因此，扭结效应仅在相对较高的温度下出现。
图5。 光可调的NDR行为。（a）固定VG=3 V，在黑暗和不同强度激光下，器件的IDS-VDS曲线。（b）NDR和非NDR区域的详细视图。（c）在VG=3 V下，相应的光响应率（Rph）与VDS的关系。（d）VG=2。5 V时，在黑暗和不同强度激光下，器件的IDS-VDS曲线。
光激发可为NDR调制提供额外端。图5a给出了器件在黑暗中和不同强度激光下的IDS-VDS曲线。该器件在黑暗状态下表现出NDR特征，在光照下表现出明显的光响应。在NDR区域（图5b），即使激光强度低至2。83 mW cm-2，也探测到明显的电流增加和正VPeak偏移，表明了NDR行为的高灵敏度。当器件在小偏压下工作时，漏极侧电子势垒的存在不利于漏极对光生电子的收集，从而导致沟道电子密度增加。然而，由于源极端的空穴势垒不存在，光生空穴很容易流入源极并产生电流。因此，在光照下，器件的总电流增加，NDR效应的激活需要更高的VDS。在进一步增加激光强度的同时，更多的光生电子-空穴对使其复合率增加，实际上减少了VPeak相对于黑暗状态的偏移。相比之下，非NDR区域的光响应表现出几乎单调的变化（即电流随着激光强度增加而增加），类似于其他2D材料基光电探测器。为了量化光响应性能，在图5c中提取了光响应率随VDS的变化。在较低的激光强度下获得更大的Rph，NDR区域（VDS=2。08 V）和非NDR区域（VDS=3 V）的峰值分别达到2。1×105和1。5×105 A W-1。这种光诱导的NDR行为也可以在暗电流不显示NDR特性的情况下实现。图5d给出了器件在VG=2。5 V下的IDS-VDS曲线，在黑暗状态下未观察到NDR效应。而在激光照射下，可以有效地激活NDR效应，并且与上述情况类似，相应的VPeak也随着激光强度增加而减小。
总结与展望
本文提出了一种独特的室温NDR器件，具有高峰值电流密度和高度可调的电子特性。NDR效应被证明与特定电场条件下双极性沟道的传导类型转换密切相关。输运沟道与栅电极之间的强耦合使得NDR峰值电流和峰值电压可以通过栅极电压进行有效调制。还研究了NDR和扭结特性对温度的依赖性，并将其归因于电子和空穴的不同注入模式。此外，光被证明是NDR调制的额外端，不仅可以有效控制峰值电流和峰值电压，而且在暗电流没有NDR特性的情况下也能诱发NDR。这些结果不仅可以为双极性BP晶体管的输运行为提供重要的见解，而且还有助于BP基电路的设计。此外，本文介绍的器件仅基于单个BP薄片，与以前的异质结隧穿器件有很大不同。这种结构简单性，加上最近在BP薄膜和BP纳米带可扩展制备方面取得的进展，使BP NDR器件有望用于实际电子应用。
文献信息
Modulation of Negative Differential Resistance in Black Phosphorus Transistors
（Adv。 Mater。， 2021， DOI：10。1002/adma。202008329）
文献链接：https：//onlinelibrary。wiley。com/doi/10。1002/adma。202008329
