[論文レビュー] P-type polar transition of chemically doped multilayer MoS2 transistor

Xiaochi Liu, Deshun Qu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2015

2D Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、化学ドーピングを用いて高性能なp型 multilayer MoS2 フィールド効果トランジスタ（PFET）を実現し、室温で10⁷のオン/オフ比と72 cm²/V·sのホール移動度を達成した。133 Kでは、オン/オフ比が10⁹に、ホール移動度が132 cm²/V·sに向上した。この研究では、界面抵抗（Rc）とチャネル抵抗率（Rs）がp型動作の主な障壁であると特定し、高仕事関数金属接触におけるRcの低減とチャネルのpドーピングが、n型からp型動作への極性遷移に成功するための不可欠な要因であると確立した。

ABSTRACT

The accessibility of both n-type and p-type MoS2 FET is necessary for complementary device applications involving MoS2. However, MoS2 PFET is rarely achieved due to pinning effect resulting high Rc at metal-MoS2 interface and the inherently strong n-type property of the MoS2 material. In this study, we realized a high-performance multi-layer MoS2 PFET via controllable chemical doping, which has an excellent on/off ratio of 107 and a maximum hole mobility of 72 cm2/Vs at room temperature, and these values are further exceeding to 109 and 132 cm2/Vs at 133K. In addition, we revealed that large Rc hindered the polar transition of MoS2 FET from n-type to p-type, meanwhile channel Rs limited Ion of PFET. Therefore it is suggested that reducing Rc at high work function metal-MoS2 interface and p-type doping of channel were necessary for achieving high performance MoS2 PFET. Based on the high performance PFET, we successfully demonstrated a MoS2 CMOS inverter by integrating NFET and PFET.

研究の動機と目的

• MoS2の固有のn型特性を克服し、補完論理応用に向けたp型動作を可能にすること。
• 金属-MoS2界面におけるピンギング効果がp型性能を制限する要因であるのを解消すること。
• 極性遷移を妨げる主な抵抗障壁（接触部のRcとチャネル部のRs）を特定し、低減すること。
• 統合されたNFETとPFETを用いて、MoS2ベースのCMOSインバーターを実装すること。
• 制御された化学ドーピングと界面工学を用いて、高性能p型MoS2トランジスタの設計原則を確立すること。

提案手法

• p型ドーピング剤を用いたmultilayer MoS2チャネルの化学的ドーピングにより、ホール伝導を誘発すること。
• Pd や Pt などの高仕事関数金属を用いてショットキ接触を形成し、接触抵抗（Rc）を低減すること。
• 移動度、オン/オフ比、接触抵抗の抽出を目的として、トランスファ特性および出力特性を体系的に測定すること。
• 低温（133 K）での電気的特性評価により、キャリア移動度を向上させ、散乱を抑制すること。
• n型およびp型FETを統合してCMOSインバーターを構築し、補完論理機能の妥当性を検証すること。
• トランスファーレングス法（TLM）とフィールド効果モデルフィッティングを用いて、RcおよびRsの寄与を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoS2 FETにおけるp型動作を妨げる主な抵抗障壁は何か？
• RQ2 化学的pドーピングは、multilayer MoS2におけるn型からp型動作への極性遷移にどのように影響を与えるか？
• RQ3 接触抵抗（Rc）とチャネル抵抗率（Rs）は、どの程度低減可能であり、それが高性能PFETの実現に寄与するか？
• RQ4 化学ドーピングされたPFETとNFETを用いて、機能的なMoS2 CMOSインバーターを実現できるか？
• RQ5 温度は、ドーピングされたMoS2トランジスタにおけるホール移動度とオン/オフ比を向上させる役割を果たすか？

主な発見

• 室温でオン/オフ比10⁷、ホール移動度72 cm²/V·sを達成したp型MoS2 FETが実現された。
• 133 Kでオン/オフ比は10⁹に増加し、ホール移動度は132 cm²/V·sに達した。これは散乱の低減とキャリア輸送の向上を示している。
• 金属-MoS2界面における高い接触抵抗（Rc）が、極性遷移の主な障壁であることが特定され、物性的固有特性ではなく界面特性に起因する。
• チャネル抵抗率（Rs）がp型動作におけるオン電流（Ion）を制限することが判明し、効果的なpドーピングの必要性が強調された。
• 高仕事関数接触によるRc低減とpドーピングの最適化が、高性能PFETの実現に不可欠であることが確認された。
• 化学ドーピングされたPFETとNFETを統合することで、機能的なMoS2 CMOSインバーターが成功裏に実証され、補完論理の実現可能性が裏付けられた。