二维材料热电子晶体管的基区热载流子弛豫过程实验研究
批准号:
61674127
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
徐杨
依托单位:
学科分类:
新型信息器件
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
杜思超、郭宏伟、何一超、刘威、李炜、李泠霏、刘粒祥
中文摘要
本项目提出一种新的测量二维材料热电子方法,通过以石墨烯或MoS2为代表的热电子晶体管输出特性,得到基区热电子能谱,从而获得电子间散射,电子和光学声子、声学声子的散射以及二维材料中较特殊的电子—缺陷—声子三体散射过程的信息。这有别于以光学pump-probe技术为主的常用测量手段。热电子晶体管采用垂直范德华异质结或平面分立栅定义同质结制备。目前,二维材料的研究主要集中在费米面附近平衡态冷电子的输运特性,对于远离平衡态的热电子行为的关注较少。以石墨烯为代表的二维材料中,由于相对较高的光学声子能量和较小的相空间,热电子弛豫时间相对更长,因此可看到诸如热电子倍增、光热电效应等现象。对于模拟器件,二维材料由于原子级厚度,有望获得极短的基区渡越时间,提高速度;对于数字器件,热电子晶体管可获得不依赖于二维材料禁带的大开关比。二维材料热电子晶体管以其材料和结构的特殊性,将提供传统三维半导体不可替代的优势。
英文摘要
We propose a new method different from the commonly-used optical pump-probe method to analyze the hot electron transport in 2D materials. By utilizing the hot electron transistor (HET) structure with 2D material base (e.g. graphene, MoS2, etc.), we can measure the output characteristics and get the so-called hot electron spectroscopy, which contains the details of hot electron energy relaxation process in the base region. Specifically, the information of electron-electron interaction, electron-optical phonon, electron-acoustic phonon, and even more complicated electron-disorder-acoustic phonon (supercollision) process can be captured as peaks and broadening in the spectroscopy. HET is fabricated by vertical vdW heterostructure or planar 2D transistor with split-gate-defined barrier region. Transport properties around Fermi level (i.e. near equilibrium) of 2D materials are well studied. However, in these systems, the electron dynamics far from equilibrium are relatively less studied. In the meantime, hot electron behaviors like hot electron multiplication and photothermoelectric (PTE) effect in graphene, caused by the relatively higher optical phonon energy and smaller phase space for effective cooling, can be analyzed by the proposed hot electron spectroscopy method. Finally, the HET is both an analog device with potential high speed due to very short base transit time and a digital device with high on/off ratio irrelative to the bandgap of 2D materials.
热电子晶体管是以热电子的注入,输运,和收集为主要工作机制的三端器件。热电子是能量高于费米面的非平衡高能电子,其具有高于晶格温度的电子温度。由于热电子具有高的能量,动量,比平衡载流子具有更快的初始速度,因此依靠热电子来传输信号或能量有望得到更高的工作频率,这是热电子器件的一大优势。此外,热电子晶体管的另一个优势是可以测量热电子能谱,用来研究热电子在基极中的弛豫过程。. 本项目利用二维材料的干法转移技术制备了一种基于全二维材料异质集成的热电子晶体管。该器件为五层垂直结构:石墨烯/氮化硼/石墨烯/硒化钨/石墨烯,其中三个石墨烯层分别作为发射极,基极和集电极,氮化硼和硒化钨分别是发射极势垒和集电极势垒。通过改变发射极-基极之间和集电极-基极之间的偏压,可以实现控制热电子的发射和收集。与传统的基于体材料热电子晶体管以及二维三维材料结合的热电子晶体管相比,我们的器件是由机械剥离获得的全二维材料堆叠而成,不存在晶格失配和界面悬挂键等问题。我们的器件表现出很高的收集效率(~100%),明显的饱和区域和较大的电流密度(~400 A/cm2)。器件的性能优化和调控还可以通过选用不同厚度和种类的势垒层材料和基极材料来实现调控。此外,通过热电子晶体管输出特性,我们还可以得到基区热电子能谱,从而有望获得热电子能量分布,电子-电子和电子声子间散射等微观输运信息。. 这种多子主导的输运且垂直堆叠的原子层厚度结构,不但在模拟应用中具有高速,高开关比等优势,还有望作为一种新方法和平台来研究二维材料体系内热电子输运以及电子-声子散射过程。二维材料热电子晶体管以其材料和结构的特殊性,将提供传统三维半导体不可替代的优势。
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Bidirectional mid-infrared communications between two identical macroscopic graphene fibres.
两个相同的宏观石墨烯纤维之间的双向中红外通信
DOI:
10.1038/s41467-020-20033-2
发表时间:
2020-12-11
期刊:
Nature communications
影响因子:
16.6
作者:
[Fang B, Bodepudi SC, Tian F, Liu X, Chang D, Du S, Lv J, Zhong J, Zhu H, Hu H, Xu Y, Xu Z, Gao W, Gao C]
通讯作者:
Gao C
A self-powered high-performance graphene/silicon ultraviolet photodetector with ultra-shallow junction: breaking the limit of silicon?
具有超浅结的自供电高性能石墨烯/硅紫外光电探测器:突破硅的极限?
DOI:
10.1038/s41699-017-0008-4
发表时间:
2017-04-11
期刊:
NPJ 2D MATERIALS AND APPLICATIONS
影响因子:
9.7
作者:
[Wan, Xia, Xu, Yang, Yu, Bin]
通讯作者:
Yu, Bin
Light-induced negative differential resistance in gate-controlled graphene-silicon photodiode
栅控石墨烯硅光电二极管中的光致负微分电阻
DOI:
10.1063/1.5026382
发表时间:
2018-05
期刊:
Applied Physics Letters
影响因子:
4
作者:
[Liu Wei, Guo Hongwei, Li Wei, Wan Xia, Bodepudi Srikrishna Chanakya, Shehzad Khurram, Xu Yang]
通讯作者:
Xu Yang
Room-temperature valleytronic transistor
室温 Valleytronic 晶体管
DOI:
10.1038/s41565-020-0727-0
发表时间:
2020-07-20
期刊:
NATURE NANOTECHNOLOGY
影响因子:
38.3
作者:
[Li, Lingfei, Shao, Lei, Wang, Xiaomu]
通讯作者:
Wang, Xiaomu
Visible-NIR Photodetectors Based on Low-Dimensional GeSe Micro-Crystals: Designed Morphology and Improved Photoresponsivity
基于低维 GeSe 微晶的可见光-近红外光电探测器:设计的形貌和改进的光响应性
DOI:
10.1002/cphc.201901217
发表时间:
2020
期刊:
ChemPhysChem
影响因子:
2.9
作者:
[Zhao Feiyu, Luo Xue, Liu Lixiang, Lv Jianhang, Fan Xianping, Qiao Xvsheng, Xu Yang, Kienle Lorenz, Zhang Xianghua, Qian Guodong]
通讯作者:
Qian Guodong
共 22 条
后摩尔硅基光电融合感存算一体器件与集成技术
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批准号:LDT23F04013F04
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2023
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负责人:徐杨
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依托单位:
硅/二维异质集成图像传感器基础研究
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批准号:U22A2076
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:245.00万元
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批准年份:2022
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负责人:徐杨
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依托单位:
硅基石墨烯光电探测器三维异质集成研究
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批准号:92164106
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项目类别:重大研究计划
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2021
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负责人:徐杨
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依托单位:
用于宽光谱成像的石墨烯-硅电荷耦合图像传感器基础研究
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批准号:61874094
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项目类别:面上项目
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资助金额:64.0万元
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批准年份:2018
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负责人:徐杨
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依托单位:
应用于硅基MOSFET高k介质种子层和沟道隔离层双重角色的氟化石墨烯探索研究
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批准号:61474099
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项目类别:面上项目
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资助金额:79.0万元
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批准年份:2014
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负责人:徐杨
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依托单位:
不同衬底对石墨烯FET工作特性影响及其ESD失效机理研究
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批准号:61274123
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项目类别:面上项目
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2012
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负责人:徐杨
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依托单位:
基于graphene NEMS传感器的机电耦合物理机制研究
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批准号:61006077
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:21.0万元
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批准年份:2010
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负责人:徐杨
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依托单位:
国内基金
海外基金