[論文レビュー] Electrical Transport Properties of Single-Layer WS2

Dmitry Ovchinnikov, Adrien Allain+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

2D Materials and Applications参考文献 38被引用数 34

ひとこと要約

本研究は、剥離法で得た単層タングステンディチリド化物（WS2）の場効果トランジスタの電気的輸送特性を調査し、イン・スイット・アニーリングを施した後、室温でのオン/オフ比が約10⁶に達し、移動度が最大140 cm²/V·sに達することを示した。この研究では、n型行動、高キャリア密度における金属的輸送、絶縁状態における可変範囲ホッピングを明らかにした。局在化長は約2 nmであり、強いスピン軌道結合のおかげで、WS2はナノエレクトロニクスおよびバレーtronic応用において大きな可能性を秘めている。

ABSTRACT

We report on the fabrication of field-effect transistors based on single and bilayers of the semiconductor WS2 and the investigation of their electronic transport properties. We find that the doping level strongly depends on the device environment and that long in-situ annealing drastically improves the contact transparency allowing four-terminal measurements to be performed and the pristine properties of the material to be recovered. Our devices show n-type behavior with high room-temperature on/off current ratio of ~106. They show clear metallic behavior at high charge carrier densities and mobilities as high as ~140 cm2/Vs at low temperatures (above 300 cm2/Vs in the case of bi-layers). In the insulating regime, the devices exhibit variable-range hopping, with a localization length of about 2 nm that starts to increase as the Fermi level enters the conduction band. The promising electronic properties of WS2, comparable to those of single-layer MoS2 and WSe2, together with its strong spin-orbit coupling, make it interesting for future applications in electronic, optical and valleytronic devices.

研究の動機と目的

• 単層および二層WS2を用いた場効果トランジスタの作製および特性評価を行い、電子デバイス応用を目的とする。
• デバイス環境およびプロセッシング条件がドーピングおよび接触透過性に与える影響を調査する。
• プリスティン・WS2における内在的な電子的輸送特性（移動度およびキャリア型）を測定する。
• 金属的行動や絶縁状態における可変範囲ホッピングといった輸送メカニズムを分析する。
• スピントロニクス、オプトエレクトロニクス、バレーtronicデバイスにおけるWS2の将来の応用可能性を評価する。

提案手法

• 機械的剥離法により得た単層および二層WS2フラクスをSiO₂/Si基板に転写し、バックゲート型場効果トランジスタを形成した。
• 表面吸着物を低減し、接触透過性を向上させるために、四端子測定に適したイン・スイット・サーマルアニーリングを施した。
• 四端子配置を用いて、室温および低温（4.2 Kまで）の暗所条件下で電気的輸送特性を測定した。
• 場効果特性の解析から、キャリア型、オン/オフ比、場効果移動度を特定した。
• 絶縁状態における温度依存抵抗率測定から、可変範囲ホッピング行動を抽出した。
• 可変範囲ホッピング状態における抵抗率の温度依存性から、局在化長を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デバイス環境は、単層WS2場効果トランジスタにおけるドーピングレベルおよび接触品質にどのように影響するか？
• RQ2 単層WS2の内在的場効果移動度は何か？また、温度およびキャリア密度に依存するか？
• RQ3 単層WS2の絶縁状態において支配的な輸送メカニズムは何か？また、局在化長はどの程度か？
• RQ4 イン・スイット・アニーリングは、接触透過性および四端子測定の実施能力にどのように影響するか？
• RQ5 WS2の電子的性質は、MoS2 や WSe2 などの他の遷移金属ジチリド化物と比較して、どの程度優れているか？

主な発見

• 単層WS2場効果トランジスタは、室温でのオン/オフ電流比が約10⁶に達するn型行動を示した。
• イン・スイット・アニーリングを施した後、接触透過性が著しく向上し、信頼性のある四端子測定が可能になり、プリスティンな電子的性質が回復した。
• 低温移動度は、単層WS2で最大140 cm²/V·sに達し、二層デバイスでは300 cm²/V·sを超える値を示した。
• 高キャリア密度領域では、明確な金属的輸送が観察され、高移動度および低散乱を示している。
• 絶縁状態では、可変範囲ホッピング伝導が観察され、局在化長は約2 nmであり、フェルミ準位が伝導帯に入ると増加した。
• WS2に強いスピン軌道結合が存在し、優れた電子的性質を併せ持つことから、バレーtronicおよびオプトエレクトロニクスデバイスへの応用候補として極めて有望である。