Ultra-steep switching impact Ionization field-effect transistor fabricated with homogeneous WSe₂ junction

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The exploration of two-dimensional (2D) materials has opened new avenues in the development of high-performance electronic and optoelectronic devices. These materials exhibit unique properties such as anisotropic transport and significant impact ionization effects, which are pivotal in advancing low-power, high-speed devices. This research delves into the impact ionization characteristics of tungsten diselenide (WSe2) and their application in various cutting-edge technologies, including avalanche photodetectors (APDs), impact ionization field-effect transistors (I2FETs), and spiking neural networks (SNNs).
Carrier multiplication via impact ionization in WSe2 shows a pronounced anisotropy, with vertical WSe2 field-effect transistors (FETs) requiring a critical electric field (ECR) approximately ten times higher than that of lateral FETs. This anisotropic behavior, elucidated through Monte Carlo simulations, underscores the potential of lateral WSe2 device for low-power electronic applications by optimizing the carrier multiplication process for different device orientations.
Building on this fundamental understanding, WSe2-based avalanche photodetectors (APDs) demonstrate remarkable photoresponsivity across a broad spectrum from 405 to 1310 nm. The high internal gain achieved via avalanche multiplication enables these APDs to surpass traditional photodetectors, offering high sensitivity and a significant photocurrent-to-dark current ratio. This enhancement is crucial for optical communication systems, where wide spectral range detection with a single photodetector can reduce system costs and complexity.
The primary focus of this research is the development of steep-slope I2FET using a gate-controlled homogeneous WSe2 lateral junction. This I2FET exhibits a subthreshold slope (SS) as low as 2.73 mV/dec over three decades of source-drain current, achieving an on/off ratio of ~10^6 at room temperature and low bias voltages. The devices leverage the lucky-drift mechanism, resulting in high impact ionization coefficients and low SS, making them ideal for energy-efficient electronic applications. Moreover, the integration of WSe2 I2FETs with MoS2 FETs to form logic inverters showcases their potential for high-gain, noise-resistant circuits.
Further advancements in impact ionization transistors are illustrated by the impact-ionization-based threshold switching field-effect transistor (I2S-FET). This device, constructed with a serial connection of a MoS2 FET and a WSe2 impact ionization-based threshold switch, exhibit low SS (32.8 mV/dec) at room temperature and enhanced device stability through a structural design that separates the conducting and steep-switching regions. This configuration addresses performance degradation issues and achieves hysteresis-free switching, presenting a viable pathway for next-generation ultralow-power electronic devices.
Lastly, the integration of WSe2 I2FETs with ferroelectric field-effect transistors (FeFETs) in the creation of 2D SNN demonstrates the potential of these materials for neuromorphic computing. The 2D SNN, combining spiking neurons based on I2FETs and ferroelectric synaptic devices, exhibits precise spiking behavior and low energy consumption, achieving high accuracy in unsupervised learning tasks. This research signifies a crucial step towards energy-efficient neuromorphic systems that emulate the human brain's functionality.
In conclusion, the unique properties of WSe2 and its impact ionization characteristics provide a robust foundation for the development of advanced electronic and optoelectronic devices, paving the way for future innovations in energy-efficient technologies and neuromorphic computing systems.

국문 초록 (Abstract)

이차원(2D) 물질의 탐구는 고성능 전자 및 광전자 장치 개발에 새로운 가능성을 열어주었다. 이러한 물질들은 이방성 전하 수송 및 충격 이온화와 같은 독특한 특성을 지니고 있어 저전력, 고속 장치의 발전에 중요한 역할을 한다. 본 연구에서는 이황화 텅스텐(WSe2)의 충격 이온화 특성을 분석하고, 이를 기반으로 아발란치 광검출기(APD), 충격 이온화 전계 효과 트랜지스터(I2FET), 스파이킹 신경망(SNN)을 구현하였다.
WSe2 에서의 충격 이온화에 의한 전하 증배는 현저한 이방성을 보이며, 수직형 WSe2 전계 효과 트랜지스터(FET)는 수평형 FET 보다 약 10 배 더 높은 임계 전기장(ECR)을 필요로 한다. 뿐만 아니라 전하의 종류와 밀도에 따라서도 충격 이온화 특성이 변화한다. 이러한 특성들은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적으로 규명되었고, 최적화된 전하 증배 현상을 위한 조건이 수립되었다.
이러한 기초적인 이해를 바탕으로 설계된 WSe2 APD 는 405 에서 1310 nm 의 넓은 스펙트럼에 걸쳐 놀라운 광응답성을 보여준다. 아발란치 전하 증배를 통한 높은 내부 이득은 이 APD 가 기존의 광검출기를 능가하게 하며, 이러한 성능 향상은 단일 광검출기를 사용한 광범위한 스펙트럼 감지가 시스템 비용과 복잡성을 줄일 수 있는 광통신 시스템에 매우 중요하다.
본 연구의 주요 초점은 게이트 제어 WSe2 수평형 동종접합 구조체를 사용하여 초경사 스위칭 I2FET를 개발하는 것이다. 이 I2FET는 실온 및 저 전압(<1 V)에서 ~10^6 의 온/오프 비율과 함께 2.73 mV/dec 의 낮은 임계 이하 기울기(SS)을 달성하였다. 높은 임팩트 이온화 계수와 낮은 SS 를 갖추고 있어 에너지 효율적인 전자 응용에 이상적임을 확인할 수 있다. 또한, WSe2 I2FET 와 MoS2 FET 를 통합하여 형성된 논리 인버터는 높은 이득과 잡음 저항성을 보여준다.
충격 이온화 트랜지스터의 안정성을 높이기 위해 새로운 구조의 충격 이온화 기반 임계 스위칭 전계 효과 트랜지스터(I2S-FET)가 제안된다. 이 장치는 MoS2 FET 와 WSe2 충격 이온화 기반 임계 스위치를 직렬 연결하여 구성되었으며, 실온에서 낮은 SS(32.8 mV/dec)와 구조 설계를 통한 향상된 장치 안정성을 보여준다. 이 구성은 전도 영역과 급경사 스위칭 영역을 분리하여 충격 이온화로 인한 성능 저하 문제를 해결하고 히스테리시스 없는 스위칭을 달성한다.
마지막으로, WSe2 I2FET 를 강유전체 전계 효과 트랜지스터(FeFET)와 통합하여 2D SNN 을 구현함으로써 뉴로모픽 컴퓨팅에 대한 잠재력을 보여준다. I2FET 기반 스파이킹 뉴런과 강유전체 시냅스 장치를 결합한 2D SNN 은 정밀한 스파이킹 동작과 낮은 에너지 소비를 나타내며, 비지도 학습 작업에서 높은 정확도를 달성한다. 본 연구는 인간 뇌의 기능을 모방하는 에너지 효율적인 뉴로모픽 시스템 개발을 위한 중요한 단계를 의미한다.
결론적으로, WSe2 의 독특한 특성과 충격 이온화 특성은 고성능 전자 및 광전자 장치 개발을 위한 강력한 기반을 제공하며, 에너지 효율적인 기술 및 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템에서의 미래 혁신을 위한 길을 열어준다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 2. Impact Ionization in 2D Materials 16
• 3. Avalanche Photodetector Based on 2D Materials 54
• 4. Impact Ionization Field-effect Transistor (I2FET) Based on 2D Materials 78
• 5. Spiking Neuron Based on WSe2 I2FET 124
• 6. Summary and Conclusion 159

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