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

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.

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。

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。