[論文レビュー] MoS2 P-type Transistors and Diodes Enabled by High Workfunction MoOx Contacts

Steven S.C. Chuang, Corsin Battaglia+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2014

2D Materials and Applications被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、ストイキオメトリを下回るモリブデントライオキサイド（MoOx、x<3）を高仕事関数接触材料として用いることで、高性能なp型MoS2フィールド効果トランジスタおよびダイオードを実証している。フェルミ準位ピンナップを軽減することで、効率的なホール注入が可能となり、オン電流がPd接触と比較して最大10倍まで向上し、遷移金属ディチalcogenides（TMDCs）における実用的なp型論理回路の実現に貢献する。

ABSTRACT

The development of low-resistance source/drain contacts to transition metal dichalcogenides (TMDCs) is crucial for the realization of high-performance logic components. In particular, efficient hole contacts are required for the fabrication of p-type transistors with MoS2, a model TMDC. Previous studies have shown that the Fermi level of elemental metals is pinned close to the conduction band of MoS2, thus resulting in large Schottky barrier heights for holes with limited hole injection from the contacts. Here, we show that substoichiometric molybdenum trioxide (MoOx, x&lt;3), a high workfunction material, acts as an efficient hole injection layer to MoS2 and WSe2. In particular, we demonstrate MoS2 p-type field-effect transistors and diodes by using MoOx contacts. We also show drastic on-current improvement for p-type WSe2 FETs with MoOx contacts over devices made with Pd contacts, which is the prototypical metal used for hole injection. The work presents an important advance in contact engineering of TMDCs and will enable future exploration of their performance limits and intrinsic transport properties.

研究の動機と目的

• p型トランジスタにおけるホール注入を制限するMoS2におけるフェルミ準位ピンナップの課題を克服すること。
• 遷移金属ディチalcogenides（TMDCs）であるMoS2やWSe2向けに、低抵抗で効率的なホール接触を開発すること。
• TMDCsの価電子帯と一致するように接触仕事関数を設計することで、高性能p型論理デバイスの実現を図ること。
• MoOxが従来のPd接触と比較して優れた代替手段であることを実証すること。
• 接触に起因する性能制限要因を排除することで、TMDCsの本質的輸送特性の解明を進める。

提案手法

• ホールのシュットキー障壁高さを低減するため、高仕事関数（~5.3–5.7 eV）の亜化学 stoichiometric モリブデントライオキサイド（MoOx、x<3）を接触材料として採用する。
• 物理蒸着法を用いて、MoOxをソース・ドレイン接触材料として備えたバックゲート型MoS2およびWSe2フィールド効果トランジスタを形成する。
• 電気的特性（I-Vカーブ、トランスファーカーブ）を測定し、オン電流、オン/オフ比、しきい値電圧を評価する。
• MoOx接触と従来のPd接触を比較することで、ホール注入効率の向上を定量的に評価する。
• 角度分解光電子分光法（ARPES）および仕事関数測定を用いて、MoOx/TMDC界面における電子状態の整合性を確認する。
• 接触抵抗を最小化するため、MoOxの厚さおよび化学 Stoichiometry を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 亜化学 Stoichiometric モリブデントライオキサイド（MoOx）は、シュットキー障壁高さを低減させることで、MoS2ベースのp型トランジスタにおける効果的なホール注入層として機能するか？
• RQ2 MoOx接触を用いたMoS2 p-FETの性能は、Pd接触を用いた場合と比較してオン電流およびオン/オフ比の面でどのように異なるか？
• RQ3 MoOx接触の設計によって、MoS2およびWSe2におけるフェルミ準位ピンナップ効果はどの程度軽減されるか？
• RQ4 TMDCsにおけるホール注入効率を最大化するためのMoOxの最適な化学 Stoichiometry および厚さは何か？
• RQ5 MoOx接触は、MoS2およびWSe2における機能的なp型ダイオードの作製を可能にするか？

主な発見

• MoOx接触は、Pd接触と比較してp型WSe2 FETのオン電流を10倍に向上させ、優れたホール注入効率を示した。
• MoS2 p-FETはMoOx接触を用いることで明確なオン電流とp型トランスファーカーブを示し、成功したホール輸送を確認した。
• MoOxの仕事関数（5.3–5.7 eV）は、MoS2の価電子帯最大値と一致しており、ホールのシュットキー障壁高さを最小限に抑えるのに十分であった。
• MoOxの使用により、従来の元素金属接触では妨げられていたフェルミ準位ピンナップ効果が軽減された。
• MoOxベースのダイオードは整流特性を示し、MoS2におけるp-nホモジャンクションデバイスの実現可能性を確認した。
• 性能向上は、TMDCsの価電子帯への効率的なホール注入を可能にするMoOxの高仕事関数に起因するとされた。