黑磷砷化铟异质结隧穿器件

2019年2月，Nanoscale刊发了国家脉冲强磁场科学中心吴燕庆教授课题组关于黑磷/砷化铟异质结隧穿晶体管的研究成果。该论文标题为“Negative transconductance and negative differential resistance in asymmetric narrow bandgap 2D–3D heterostructures”，吴燕庆教授为论文通讯作者，课题组李调阳博士为第一作者，其余作者包括课题组成员李学飞，田猛串，胡倩澜，王欣，李思超。该文主要针对黑磷窄直接带隙的能带特点，构建了黑磷/砷化铟异质结隧穿晶体管。首先通过理论分析，载流子有效质量小、禁带宽度窄的直接带隙半导体材料有利于增大隧穿几率。此外，由电子亲和势不同的材料构成的异质结可以有效降低隧穿势垒高度，进一步增大隧穿几率。基于以上分析，我们把新型二维材料黑磷与传统三五族材料砷化铟结合，构建出垂直堆叠的异质结隧穿器件。两者均为窄直接带隙半导体，导电类型互补，构成裂隙型能带，正是隧穿异质结的不二选择。材料选取好后，首先采用nextnano对器件结构进行能带仿真，随后基于一系列工艺设备，制备出垂直堆叠的黑磷/砷化铟异质结隧穿晶体管。相较于黑磷晶体管，常温下黑磷/砷化铟异质结隧穿晶体管亚阈值摆幅提升120%，并呈现出整流特性。在低温条件下，同时发现了负电阻和负跨导两个量子隧穿现象，并可通过栅极电压和漏极电压连续调控。利用能带理论对其进行了详细的机理分析，这些结果对于带间隧穿晶体管的科学认识和技术应用具有重要意义。