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Phosphorene – Can it be Effectively Passivated? Jim Hwang [email protected] USEU Workshop on 2D Layered Materials and Devices Wednesday, April 25, 2015

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Phosphorene  –  Can  it  be  Effectively  Passivated?  

Jim  Hwang  [email protected]  

US-­‐EU  Workshop  on  2D  Layered  Materials  and  Devices  Wednesday,  April  25,  2015  

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•  IntroducJon  •  Passivated  phosphorene  FETs  

•  Temporal  and  thermal  stability  

•  Mechanical  stability  

•  Mobility  enhancement  

•  Conclusion  

Outline  

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Phosphorene  Surface  

• Highly  puckered  structure  allowing  permanent  out-­‐of-­‐plane  dipole  moment  • Hydrophilic  surface  reacJve  with  O2  and  H2O  especially  when  lit  • Surface  roughens  with  water  droplets  in  air  within  hours  

A.  Castellanos-­‐Gomez  et  al  (2014)  Y.  Du  et  al  (2010)  

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Top  Gate  vs.  Back  Gate  

H.  Liu  et  al  (2014)   High-­‐Resis)vity  Si  

• High-­‐resisJvity  substrate  to  reduce  parasiJc  capacitance  • High-­‐k  gate  insulator  to  reduce  Coulomb  scaYering  

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Phosphorene  Surface  Passivation  

•  PassivaJon  appears  adequate  for  environmental  protecJon  •  Need  to  reduce  interface  state  density  and  defect  scaYering  

Authors   University   Gate   PassivaJon   Ambient  Stability  

Thermal  Stability  

J.  Na  et  al     KIST   Back   Al2O3   2  mo  

J.  D.  Wood  et  al   Northwestern   Back   AlOx   2  wk      

X.  Luo  et  al   Lehigh   Top   Al2O3   3  mo   −50  oC─  150  oC  

J.-­‐S.  Kim  et  al   UT  AusJn   Back   Al2O3   3  mo  

N.  Gillgren  et  al   UC  Riverside   Back   hBN   2  wk  

A.  Avsar  et  al   Singapore   Top   hBN   2  mo   −263  oC─  25  oC  

X.  Chen  et  al   HKUST   Back   hBN   1  wk  

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Al2O3-­‐Passivated  Phosphorene  MOSFETs  

Annealing  in  dry  nitrogen  at  200o  C  for  1  h  increases  on/off  and  linear/saturated  drain  currents  by  orders  of  magnitude  

X.  Luo  et  al  (2014)  

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Temporal/Thermal  Stability  

Stable  to  at  least  2000  h  and  150  oC  

X.  Luo  et  al  (2014)  

Al2O3-­‐Passivated  Phosphorene  MOSFET  

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Mechanical  Stability  Sandwiched  between  Al2O3  

Stable  up  to  5000  1.5%  strain  cycles  

Ti-­‐Au  

W.  Zhu  et  al  (2015)  

phosphorene  

polyimide  

Al2O3  

Al2O3  Ti-­‐Pd  

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Record  Mobility  Sandwiched  between  hBN  

Polymer-­‐free  interfaces  and  annealing  at  500  oC  in  Ar2  for  8  h  

X.  Chen  et  al  (2015)  

Room  Air  

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Summary  of  State  of  Art  

• “Can  it  be  stable?”  to  “How  stable?”  in  less  than  a  year  

• Passivated  phosphorene  FETs  environmentally  stable  

• Phosphorene  FETs  adequate  for  flexible  electronics  

• ReducJon  of  interface  state  density  and  hence  subthreshold  slope  for  high-­‐speed  electronics  

• Opportunity  for  enhancing  carrier  density  and  mobility  

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Technical  Challenges  

• Understand  effect  of  passivaJon  and  annealing  on  carrier  density,  mobility,  interface  roughness,  interface  state  density  …  • Validate  theory  and  experiment  on  nano-­‐FETs  with  opJmized  gate  stack  • Evaluate  long-­‐term  stability  beyond  a  few  months  and  invesJgate  failure  mechanism  

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References  • Y.  Du,  C.  Ouyang,  S.  Shi,  and  M.  Lei,  “Ab  iniJo  studies  on  atomic  and  electronic  structures  of  black  phosphorus,”  J.  Appl.  Phys.,  vol.  107,  pp.  093718-­‐1−093718-­‐4,  May  2010.  • A.  Castellanos-­‐Gomez,  L.  Vicarelli,  E.  Prada,  J.  O.  Island,  K.  L.  Narasimha-­‐Acharya,  S.  I.  Blanter,  D.  J.  Groenendijk,  M.  Buscema,  G.  A.  Steele,  J.  V.  Alvarez,  H.  W.  Zandbergen,  J.  J.  Palacios,  and  H.  S.  J.  van  der  Zant,  “IsolaJon  and  characterizaJon  of  few-­‐layer  black  phosphorus,”  2D  Mater.,  vol.  1,  no.  2,  pp.  025001-­‐1−025001-­‐19,  Jun.  2014.  • H.  Liu,  A.  T.  Neal,  M.  Si,  Y.  Du,  and  P.  D.  Ye,  “The  effect  of  dielectric  capping  on  few-­‐layer  phosphorene  transistors:  Tuning  the  SchoYky  barrier  heights,”  IEEE  Electron  Device  Le<.,  vol.  35,  no.  7,  pp.  795−797,  Jul.  2014.  •  J.  Na,  Y.  T.  Lee,  J.  A.  Lim,  D.  K.  Hwang,  G.  T.  Kim,  W.  K.  Choi,  and  Y.  Song,  “Few-­‐layer  black  phosphorus  field-­‐effect  transistors  with  reduced  current  fluctuaJon,”  ACS  Nano,  vol.  8,  no.  11,  pp.  11753–11762,  Nov.  2014.  •  J.  D.  Wood,  S.  A.  Wells,  D.  Jariwala,  K.  S.  Chen,  E.  Cho,  V.  K.  Sangwan,  X.  Liu,  L.  J.  Lauhon,  T.  J.  Marks,  and  M.  C.  Hersam,  “EffecJve  passivaJon  of  exfoliated  black  phosphorus  transistors  against  ambient  degradaJon,”  Nano  Le<.,  vol.  14,  no.  12,  pp.  6964–6970,  Dec.  2014.  •   X.  Luo,  Y.  Rahbarihagh,  J.  C.  M.  Hwang,  H.  Liu,  Y.  Du,  and  P.  D.  Ye,  “Temporal  and  thermal  stability  of  Al2O3-­‐passivated  phosphorene  MOSFETs,”  IEEE  Electron  Device  Le<.,  vol.  35,  no.  12,  pp.  1314–1316,  Dec.  2014.  •  J.  S.  Kim,  Y.  Liu,  W.  Zhu,  S.  Kim,  D.  Wu,  L.  Tao,  A.  Dodabalapur,  K.  Lai,  and  D.  Akinwande,  “Toward  air-­‐stable  mulJlayer  phosphorene  thin-­‐films  and  transistors,”  Sci.  Rep.,  vol.  5,  pp.  8989-­‐1−8989-­‐7,  Mar.  2015.  • N.  Gillgren,  D.  Wickramaratne,  Y.  Shi,  T.  Espiritu,  J.  Yang,  J.  Hu,  J.  Wei,  X.  Liu,  Z.  Mao,  K.  Watanabe,  T.  Taniguchi,  M.  Bockrath,  Y.  Barlas,  R.  K.  Lake,  and  C.  N.  Lau,  “Gate  tunable  quantum  oscillaJons  in  air-­‐stable  and  high  mobility  few-­‐layer  phosphorene  heterostructures,”  2D  Mater.,  vol.  2,  no.  1,  pp.  011001-­‐1−011001-­‐7,  Mar.  2015.  • A.  Avsar,  I.  J.  Vera-­‐Marun,  T.  J.  You,  K.  Watanabe,  T.  Taniguchi,  A.  H.  Castro  Neto,  and  B.  Ozyilmaz,  “Electrical  characterizaJon  of  fully  encapsulated  ultra  thin  black  phosphorus-­‐based  heterostructures  with  graphene  contacts.”  Available:  hYp://arxiv.org/abs/1412.1191.  • X.  Chen,  Y.  Wu,  Z.  Wu,  S.  Xu,  L.  Wang,  Y.  Han,  W.  Ye,  T.  Han,  Y.  He,  Y.  Cai,  and  N.  Wang,  “High  quality  sandwiched  black  phosphorus  heterostructure  and  its  quantum  oscillaJons.”  Available:  hYp://arxiv.org/abs/1412.1357.  

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Acknowledgment  

Xi  Luo  Kuanchen  Xiong  Yaghoob  Rahbarihagh  

Han  Liu  Yuchen  Du  Peide  Ye  

Grant  N00014-­‐14-­‐1-­‐0653  

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