[論文レビュー] Bandgap and doping effects in MoS2 measured by Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Chih-Pin Lu, Guohong Li+3 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2014

Semiconductor materials and interfaces参考文献 1被引用数 201

ひとこと要約

本研究では、ゲート付き走査トンネル顕微鏡およびスペクトロスコピー（STS）を用いて、MoS2におけるバンドギャップとフェルミ準位（EF）を測定した。その結果、バルク状態のMoS2は約1.3 eVのバンドギャップと、硫黄空孔に起因するn型ドーピングを示すことが明らかになった。一方、SiO2上に形成された薄膜では、界面に存在する電荷捕集中心による強いn型ドーピングが観察された。これらの発見により、2次元半導体デバイスの設計に不可欠なMoS2におけるドーピングの起源が明確にされた。

ABSTRACT

The discovery of graphene has put the spotlight on other layered materials including transition metal dichalcogenites (TMD) as building blocks for novel heterostructures assembled from stacked atomic layers. Molybdenum disulfide, MoS2, a semiconductor in the TMD family, with its remarkable thermal and chemical stability and high mobility, has emerged as a promising candidate for post-silicon applications such as switching, photonics, and flexible electronics. Since these rely on controlling the position of the Fermi energy (EF), it is crucial to understand its dependence on doping and gating. Here we employed scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) with gating capabilities to measure the bandgap and the position of EF in MoS2, and to track its evolution with gate voltage. For bulk samples, the measured bandgap (~1.3eV) is comparable to the value obtained by photoluminescence, and the position of EF (~0.35eV) below the conduction band, is consistent with n-doping reported in this material. Using topography together with spectroscopy we traced the source of the n-doping in bulk MoS2 samples to point defects, which we attribute to S vacancies. In contrast, for thin films deposited on SiO2, we found significantly higher levels of n-doping that cannot be attributed to S vacancies. By combining gated STS with transport measurements in a field effect transistor (FET) configuration, we demonstrate that the higher levels of n-doping in thin film samples is due to charge traps at the sample-substrate interface.

研究の動機と目的

• ポストシリコンエレクトロニクスのための重要な2次元半導体であるMoS2におけるn型ドーピングの起源を理解すること。
• 走査トンネル顕微鏡およびスペクトロスコピー（STS）を用いて、原子スケールの分解能でMoS2のバンドギャップとフェルミ準位（EF）を測定すること。
• 異なる形態のMoS2におけるドーピング源としての、内在的欠陥と外部的界面効果を区別すること。
• STS測定結果とフィールド効果トランジスタ（FET）の輸送データを照合することで、ドーピングメカニズムを検証すること。

提案手法

• 静電的ゲーティングを施した走査トンネル顕微鏡（STM）およびスペクトロスコピー（STS）を用いて、MoS2の局所的電子構造をマッピングした。
• 走査型顕微鏡による表面形状像とSTSを組み合わせ、特に硫黄空孔を含む原子スケールの欠陥を特定した。
• ゲート付きSTSを用いて、ゲート電圧に応じたフェルミ準位（EF）の変化を測定し、バンド配置とドーピングレベルの特定に寄与した。
• バルクMoS2とSiO2基板上にエキスフォリエーテッドした薄膜の両方に対して、比較測定を実施した。
• STS結果の妥当性を検証するため、フィールド効果トランジスタ（FET）構造での輸送測定を実施した。
• 理論的解釈を通じて、観察されたEFシフトが、欠陥起因と界面準位起因のドーピングを区別できるようにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 局所的プローブ技術を用いた場合、バルクMoS2の固有のバンドギャップはどの程度か？
• RQ2 バルクMoS2で観察されたn型ドーピングの原因は何か。特定の原子的欠陥に起因すると特定できるか？
• RQ3 なぜSiO2上に形成された薄膜MoS2は、バルク状態よりも顕著に高いn型ドーピングを示すのか？
• RQ4 MoS2/SiO2界面に存在する界面電荷捕集中心が、2次元薄膜におけるドーピングの増強に寄与していると仮定できるか？
• RQ5 ゲート電圧依存のSTS測定結果と、MoS2におけるマクロなFET輸送挙動にはどのような相関があるか？

主な発見

• バルクMoS2のバンドギャップは約1.3 eVであり、光励起分光法の結果と整合的であった。
• バルクMoS2におけるフェルミ準位は伝導帯からの約0.35 eV下に位置し、内在的n型ドーピングを示している。
• 走査型顕微鏡とスペクトロスコピーの併用解析により、硫黄空孔がバルクMoS2における主なn型ドーピング源であると特定された。
• SiO2上に形成された薄膜では、バルク状態よりも顕著に高いn型ドーピングが観察されたが、これは硫黄空孔では説明できない。
• ゲート付きSTSとFET輸送測定の両方の結果から、MoS2/SiO2界面における界面電荷捕集中心が、2次元薄膜におけるドーピング増強の原因であると判明した。
• 本研究では、界面欠陥と電子的性質との直接的な関連性を確立した。これは、デバイス設計において極めて重要である。