Channel-Length-Modulated Avalanche Multiplication in Ambipolar WSe2 Field-Effect Transistors

본 논문에서는 이차원 양극성 물질인 WSe₂에서 전자와 정공으로 인해 촉발되는 아발란치 증폭(avalanche breakdown)에 대한 연구결과를 보고하였다. 고감도 광 다이오드에 널리 쓰이고 있는 아발란치 증폭 현상을 이차원 물질에서 활용하려는 연구들이 이루어지고 있는 가운데 기존 연구들은 주로 n형 반도체를 이용하여 광 검출기의 성능을 높이는 방향이었으며, 양극성 물질에서 전자와 정공이 각각 어떻게 증폭에 기여하는지에 대한 근본적인 연구는 보고되지 않았다. 양극성 이차원 물질을 채널로 사용하는 트랜지스터는 정전기적 게이팅(electrostatic gating)을 통해 쉽게 p형과 n형 간에 전환할 수 있다는 장점이 있지만, 반대로 전자와 정공이 동시에 존재하기 쉽기 때문에 각 전하 수송체가 아발란치 증폭에 기여하는 정도를 파악하기 어렵다. 양극성 전계효과 트랜지스터에 포화 전압 이상의 높은 전압을 걸면 아발란치 증폭과 양극성 수송(ambipolar transport)이라는 서로 다른 현상이 일어날 수 있는데, 둘 모두 포화 전류 이상의 전류의 증가로 나타난다. 본 연구에서는 트랜지스터의 채널 길이에 따라 이 두 현상을 분리할 수 있음을 보이고, 이를 통해 전자와 정공이 각각 아발란치 증폭을 일으키는 정도를 도출하였다. 이를 통해 이차원 물질에서의 아발란치 증폭에 대한 이해와 더불어 이 현상을 활용하는 단원자 두께의 고성능 소자 개발에 기여할 것으로 기대된다.

Recently there has been growing interest in avalanche multiplication in two-dimensional (2D) materials and device applications such as avalanche photodetectors and transistors. Previous studies have mainly utilized unipolar semiconductors as the active material and focused on developing high-performance devices. However, fundamental analysis of the multiplication process, particularly in ambipolar materials, is required to establish high-performance electronic devices and emerging architectures. Although ambipolar 2D materials have the advantage of facile carrier type tuning through electrostatic gating, simultaneously allowing both carrier types in a single channel poses an inherent difficulty in analyzing their individual contributions to avalanche multiplication. In ambipolar field-effect transistors (FETs), two phenomena of ambipolar transport and avalanche multiplication can occur, and both exhibit secondary rise of output current at high lateral voltage. We distinguished these two competing phenomena using the method of channel length modulation and successfully analyzed the properties of electron- and hole-initiated multiplication in ambipolar WSe2 FETs. Our study provides a simple and robust method to examine carrier multiplication in ambipolar materials and will foster the development of high-performance atomically thin electronic devices utilizing avalanche multiplication.

Authors: Jaeyoung Kim, Kyungjune Cho, Jinsu Pak, Woocheol Lee, Junseok Seo, Jae-Keun Kim, Jiwon Shin, Juntae Jang, Kyeong-Yoon Baek, Jonghoon Lee, Seungjun Chung, Keehoon Kang,* and Takhee Lee*

DOI: 10.1021/acsnano.1c08104

Published online: April 4, 2022

Link: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c08104