[論文レビュー] Stable and scalable metallic phase on MoS2 using forming-gas microwave plasma

Chithra H. Sharma, Ananthu P. Surendran+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2018

2D Materials and Applications参考文献 58被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、Ar + H2マイクロ波プラズマ処理を用いて、リソグラフィーで制御可能なスケーラブルな方法により、2H-MoS2を安定した金属的1T相に変換する手法を提示している。この技術により、金属的挙動を示す連続的な1T領域が実現され、オミックス輸送、低シート抵抗（約1 kΩ/sq）、300 °Cまでの熱安定性を示しており、モノリシック2次元エレクトロニクスに適している。

ABSTRACT

Monolithic realization of metallic 1T and semiconducting 2H polymorphic phases makes MoS2 a potential candidate for future microelectronic circuits. Though co-existence of these phases has been reported, a method for engineering a stable 1T phase in a scalable manner, compatible with the standard device fabrication schemes is yet to emerge. In addition, there are no comprehensive studies on the electrical properties of the 1T phase. In this manuscript, we demonstrate a controllable and scalable 2H to 1T phase engineering technique for MoS2 using Ar + H2 microwave plasma. The technique enables us to realize 1T MoS2 starting from the 2H phase of arbitrary thickness and area. Our method allows lithographically defining continuous 1T regions in a 2H sample. The 1T samples withstand aging in excess of a few weeks in ambience and show a thermal stability up to 300 C, making it suitable for standard device fabrication techniques. We conduct both two-probe and four-probe electrical transport measurements on devices with back-gated field effect transistor geometry in a temperature range of 4 K to 300 K. The 1T samples exhibit Ohmic current-voltage characteristics in all temperature ranges without any dependence to the gate voltage, a signature indicative of metallic state. The sheet resistance of our 1T MoS2 sample is considerably lower than that of 2H samples while the carrier concentration of the 1T sample is few orders of magnitude higher than that of the 2H samples. In addition, our samples show negligible temperature dependence of resistance from 4 K to 300 K ruling out any hoping mediated or activated electrical transport.

研究の動機と目的

• ナノエレクトロニクスデバイス用途を想定し、MoS2における金属的1T相をスケーラブルかつ制御可能に誘導する方法の開発。
• 標準的なプロセスと適合する安定的でスケーラブルな1T-MoS2合成法の欠如に対処すること。
• モノリシック回路統合を可能にするために、2H-MoS2マトリックス内に連続的な1T領域をリソグラフィーで定義すること。
• 大気環境および熱的条件下での1T相の電気的特性を評価し、金属的挙動と安定性を確認すること。

提案手法

• Ar + H2マイクロ波プラズマを用いて、任意の厚さおよび面積においてMoS2の2H相から1T相への相転移を誘導する。
• 均一な相転移を達成するとともに基板の完全性を保持するため、制御された環境下でプラズマ処理を実施する。
• リソグラフィーを活用して特定の領域を1T相形成の対象とし、選択的メタライゼーションを実現する。
• 大気条件下での後処理評価を通じて、時間経過に伴う相の安定性を評価する。
• 4 Kから300 Kの温度範囲で四端子および二端子電気的輸送測定を実施し、金属的挙動を評価する。
• シート抵抗およびキャリア濃度を測定し、金属的性質を定量的に評価し、2H-MoS2と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2H-MoS2を安定した金属的1T相に変換するスケーラブルかつ制御可能な手法を開発できるか？
• RQ2 1T相は広い温度範囲（4 Kから300 K）で金属的輸送挙動を示すか？
• RQ3 リソグラフィーを用いて2H-MoS2マトリックス内に連続的な1T領域を定義できるか？
• RQ4 1T相は大気条件下および高温条件下で安定しているか？
• RQ5 1T相の電気的輸送特性（抵抗、キャリア濃度）は2H-MoS2と比較してどうなるか？

主な発見

• Ar + H2マイクロ波プラズマを用いることで、任意の厚さおよび面積で1T相が成功裏に形成され、スケーラブルな合成が可能となった。
• 4 Kから300 Kの全温度範囲で、1T相はオミックス電流-電圧特性を示し、金属的挙動が確認された。
• 1T-MoS2のシート抵抗は2H-MoS2と比較して顕著に低く、約1 kΩ/sqの範囲にあった。
• 1T相のキャリア濃度は2H-MoS2と比較して数個のオーダーも上昇しており、高い自由キャリア密度を示している。
• 4 Kから300 Kの範囲で抵抗の温度依存性がほとんど認められず、ホッピングまたは励起輸送機構は除外された。
• 1T相は大気条件下で数週間以上安定しており、300 °Cまでの構造的完全性を維持した。