[論文レビュー] MoS2 Transistors Operating at Gigahertz Frequencies

Daria Krasnozhon, Dominik Lembke+3 more|Sep 23, 2014

2D Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ギガヘルツ帯域で動作するトップゲート型モリブデンディチリド（MoS2）フィールド効果トランジスタの実証を示しており、最大6 GHzのカットオフ周波数を達成した。直接バンドギャップと超薄型の形状要因により、高周波帯域で電流の飽和、電力利得、電圧利得を実現し、MoS2が高速アナログおよびデジタル回路の実現に有効であることを示した。

ABSTRACT

The presence of a direct band gap and an ultrathin form factor has caused a considerable interest in two-dimensional (2D) semiconductors from the transition metal dichalcogenides (TMD) family with molybdenum disulphide (MoS2) being the most studied representative of this family of materials. While diverse electronic elements, logic circuits and optoelectronic devices have been demonstrated using ultrathin MoS2, very little is known about their performance at high frequencies where commercial devices are expected to function. Here, we report on top-gated MoS2 transistors operating in the gigahertz range of frequencies. Our devices show cutoff frequencies reaching 6 GHz. The presence of a band gap also gives rise to current saturation, allowing power and voltage gain, all in the gigahertz range. This shows that MoS2 could be an interesting material for realizing high-speed amplifiers and logic circuits with device scaling expected to result in further improvement of performance. Our work represents the first step in the realization of high-frequency analog and digital circuits based on two-dimensional semiconductors.

研究の動機と目的

• 2次元MoS2トランジスタの高周波性能を調査し、高速電子回路への応用可能性を検討すること。
• MoS2の直接バンドギャップおよび原子層構造が、測定可能な利得を伴うギガヘルツ帯域での動作を可能にするかを評価すること。
• MoS2トランジスタが高周波帯域で電流の飽和および電力／電圧利得を達成できるかを特定すること。これは、増幅回路および論理回路に不可欠な要件である。
• 2次元半導体に基づく高周波アナログおよびデジタル回路の実現に向けた基盤的ステップを確立すること。

提案手法

• 剥離法で得た単層MoS2フラクスを用いたトップゲート型MoS2フィールド効果トランジスタの作製。
• 散乱を低減し、ゲート制御を向上させるために、h-BNを誘電体層として使用。
• カットオフ周波数（fT）および利得を特徴付けるために、高周波測定装置を構築。
• 電流の飽和および出力特性を測定し、ギガヘルツ帯域における電力および電圧利得の確認を実施。
• トランジスタの主要性能指標（たとえば、コンダクタンスおよびカットオフ周波数）を抽出するために、標準的なトランジスタモデルを用いた。
• 高周波性能を評価するために、ゲート電圧およびバイアス条件を体系的に変化させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoS2トランジスタはギガヘルツ帯域で動作可能か？
• RQ2 MoS2に直接バンドギャップが存在することで、高周波帯域における電流の飽和および利得が実現可能か？
• RQ3 環境条件下でMoS2トランジスタが達成可能な最大カットオフ周波数は何か？
• RQ4 MoS2ベースのトランジスタはギガヘルツ帯域で電力利得および電圧利得の両方を実現可能か？
• RQ5 MoS2は高速アナログおよびデジタル集積回路の実現に有効な候補とみなせるか？

主な発見

• MoS2トランジスタは最大6 GHzのカットオフ周波数（fT）を達成し、ギガヘルツ帯域での動作を実証した。
• デバイスで電流の飽和が観測され、高周波帯域で電力利得および電圧利得が実現可能であることが確認された。
• MoS2の直接バンドギャップは、強力なゲート制御および低リーク電流を可能にし、高周波性能に寄与している。
• 窒化ホウ素（h-BN）を誘電体として使用することで、デバイスの品質が向上し、信頼性の高い高周波測定が可能になった。
• 結果から、MoS2は高速アナログおよびデジタル回路応用に適していることが確認された。さらに、デバイス設計の最適化により、性能のさらなる向上が期待できる。
• 本研究は、測定可能な利得を伴う2次元半導体トランジスタにおける高周波動作の初回の実験的実証を達成した。