[論文レビュー] Low-Frequency 1/f Noise in Molybdenum Disulfide Transistors

J. Renteria, R. Samnakay+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2013

2D Materials and Applications参考文献 3被引用数 77

ひとこと要約

本研究では、MoS2フィールド効果トランジスタにおける低周波数1/fノイズを調査し、キャリア数のフラクチュエーションを記述するMcWhorterモデルが、グラフェンとは異なり、ノイズ挙動を正確に記述できることを示している。主な発見として、時間経過に伴うデバイス劣化に起因し、チャネル劣化に起因してノイズが増加することが判明した。劣化前のデバイスではトラップ密度が1.5×10¹⁹ eV⁻¹cm⁻³（未使用時）から、劣化後のデバイスでは2×10²⁰ eV⁻¹cm⁻³に上昇した。これは、MoS2ベースのエレクトロニクスにおいて、チャネル関連ノイズが重要な要因であることを示している。

ABSTRACT

We report on the results of the low-frequency (1/f, where f is frequency) noise measurements in MoS2 field-effect transistors revealing the relative contributions of the MoS2 channel and Ti/Au contacts to the overall noise level. The investigation of the 1/f noise was performed for both as fabricated and aged transistors. It was established that the McWhorter model of the carrier number fluctuations describes well the 1/f noise in MoS2 transistors, in contrast to what is observed in graphene devices. The trap densities extracted from the 1/f noise data for MoS2 transistors, are 1.5 x 10^19 eV-1cm-3 and 2 x 10^20 eV-1cm-3 for the as fabricated and aged devices, respectively. It was found that the increase in the noise level of the aged MoS2 transistors is due to the channel rather than the contact degradation. The obtained results are important for the proposed electronic applications of MoS2 and other van der Waals materials.

研究の動機と目的

• MoS2フィールド効果トランジスタにおける低周波数1/fノイズの発生源を理解すること。
• 全体のノイズレベルに寄与するMoS2チャネルとTi/Au接触部の寄与を区別すること。
• 2次元遷移金属ジカルコゲナイドトランジスタにおけるデバイスの老化がノイズ特性に与える影響を評価すること。
• グラフェンとは異なり、既存のノイズモデル（例：McWhorterのモデル）がMoS2に適用可能かどうかを特定すること。

提案手法

• 未使用時および劣化後のMoS2トランジスタに対して、低周波数ノイズ測定を実施した。
• 1/fノイズデータの解釈に、キャリア数のフラクチュエーションを記述するMcWhorterモデルを適用した。
• モデルの理論的枠組みを用いて、ノイズスペクトルからトラップ密度を抽出した。
• ゲートおよびドレインバイアスを変化させた際のデバイス挙動を分析することで、MoS2チャネルとTi/Au接触部のノイズ寄与を比較した。
• パワースペクトル密度の統計的解析を実施し、1/fノイズの振幅および周波数依存性を定量した。
• 新規デバイスと劣化デバイスを系統立てて比較することで、劣化に起因する影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特に老化後において、MoS2トランジスタにおける1/fノイズの主な発生源は、チャネルか接触部か？
• RQ2 キャリア数のフラクチュエーションを記述するMcWhorterモデルは、グラフェンとは異なり、MoS2における1/fノイズを正確に記述できるか？
• RQ3 デバイスの老化は、MoS2トランジスタのノイズレベルおよびトラップ密度にどのように影響するか？
• RQ4 2次元性が類似するグラフェンデバイスと比較して、MoS2トランジスタのノイズ特性は類似しているか？
• RQ5 老化に起因するトラップ密度の定量的変化は何か？その変化は、チャネル部か接触部に局在しているか？

主な発見

• McWhorterのキャリア数フラクチュエーションモデルは、グラフェンデバイスとは異なり、MoS2トランジスタにおける1/fノイズを正確に記述している。
• 未使用時のMoS2トランジスタにおけるトラップ密度は1.5×10¹⁹ eV⁻¹cm⁻³であり、劣化後には2×10²⁰ eV⁻¹cm⁻³に増加した。
• 劣化デバイスにおけるノイズの増加は、主にMoS2チャネル内でのトラップ生成に起因しており、Ti/Au接触部の劣化とは無関係である。
• 特に老化後において、チャネルが接触部よりもはるかに大きなノイズ寄与を示しており、これはデバイス安定性においてチャネル品質が重要な要因であることを示している。
• 本研究の結果から、将来の2次元半導体デバイスにおける1/fノイズ低減のためには、MoS2チャネル内のトラップ状態を制御することが不可欠であると示唆される。
• 本研究は、MoS2ベースの電子応用分野における信頼性および性能最適化に不可欠な定量的ノイズ指標を提供している。