[論文レビュー] Sulfur Treatment for Schottky Barrier Reduction in metal/MoS2 contacts: A new Proposal for Contact Engineering on TMDs

Shubhadeep Bhattacharjee, K. Ganapathi+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2015

2D Materials and Applications参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、金属/MoS2界面における表面状態を制御するための硫黄処理を提案し、ショットキー準位差を低減し、接触特性を向上させることを目的としている。表面状態を増加させることで、Ni/MoS2およびPd/MoS2接触において80–135 meVの準位差低減を達成し、構造的・ドーピング的変更なしに2倍の移動度向上とばらつき低減を実現した。

ABSTRACT

Variability and lack of control in the nature of contacts between metal/MoS2 interface is a major bottleneck in the realisation of high-performance devices based on layered materials for several applications. In this letter, we report on the reduction in Schottky barrier height at metal/MoS2 interface by engineering the surface states through sulphur treatment. Electrical characteristics for back-gated MoS2 field effect transistor structures were investigated for two high work-function metal contacts Ni and Pd. Contacts on MoS2 treated with sulphur exhibited significant improvements in Ohmic nature with concomitant reduction in variability compared to those on untreated MoS2 films leading to a 2x increase in extracted mobility. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurements, Raman Spectroscopy and comparison of threshold voltages indicated absence of additional doping or structural changes due to sulphur treatment. The Schottky barrier heights were extracted from temperature-dependent transfer characteristics based on the thermionic current model. A reduction in barrier height of 80 and 135 meV extracted for Ni/MoS2 and Pd/MoS2 contacts respectively is hence attributed to the increase in surface states (or stronger Fermi level pinning) due to sulphur treatment. The corresponding charge neutrality levels at metal/MoS2 interface, were extracted to be 0.16 eV (0.17 eV) below the conduction band before (after) Sulphur treatment. This first report of surface states engineering in MoS2 leading to superior contacts is expected to significantly benefit the entire class of devices based on layered 2D materials.

研究の動機と目的

• 高性能2次元半導体デバイスの主要な障害要因である金属/MoS2接触部における高いばらつきと制御の困難さを解決すること。
• 2次元半導体デバイスの性能を制限する金属/遷移金属ジ chalcogenide (TMD) 界面におけるショットキー準位差形成の課題を克服すること。
• MoS2の構造的・ドーピング的変更なしに界面電子状態を調整できる新しい戦略として、表面状態の制御を検討すること。
• 硫黄処理された界面を用いたバックゲート型MoS2フィールド効果トランジスタにおいて、接触品質と再現性の向上を実証すること。
• 硫黄処理がショットキー準位差、フェルミ準位ピンナップ、および電荷輸送特性に与える影響を定量すること。

提案手法

• 金属蒸着の前段階として、MoS2表面に硫黄処理を施し、界面における表面状態を変化させる。
• 処理済みおよび未処理のMoS2上にニッケルおよびパラジウムを高仕事関数金属として用いて、バックゲート型MoS2フィールド効果トランジスタを形成する。
• 温度依存的トランスファ特性を用いて、熱電子放出モデルを用いてショットキー準位差を抽出する。
• 化学的ドーピングや構造的変化の有無を確認するため、X線光電子分光法 (XPS) を用いる。
• 硫黄処理による格子欠損や応力誘起の有無を検証するため、ラマン分光法を実施する。
• しきい値電圧のシフトおよび電荷中性レベルの変化を分析し、フェルミ準位ピンナップの変化を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 化学的ドーピングや構造的欠陥の導入なしに、硫黄処理が金属/MoS2界面におけるショットキー準位差を低減できるか？
• RQ2 硫黄処理は、MoS2上における金属接触のばらつきおよびオミクス的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 硫黄処理による表面状態の制御が、MoS2 FETにおけるキャリア輸送および移動度にどの程度向上効果をもたらすか？
• RQ4 硫黄処理後、金属/MoS2界面におけるフェルミ準位ピンナップおよび電荷中性レベルにどのような変化が生じるか？
• RQ5 XPSおよびラマン分光法により確認されたように、硫黄処理はMoS2の固有の電子的性質や格子構造を変化させるか？

主な発見

• 硫黄処理により、Ni/MoS2接触では80 meV、Pd/MoS2接触では135 meVのショットキー準位差低減が確認された。
• 抽出された電荷中性レベルは、未処理時では伝導帯より0.16 eV下に位置していたのに対し、硫黄処理後は0.17 eVにシフトし、フェルミ準位ピンナップの強化を示唆した。
• 硫黄処理接触を有するMoS2 FETでは、未処理のものと比較して抽出移動度が2倍に向上した。
• XPSおよびラマン測定により、硫黄処理後のMoS2に顕著な化学的ドーピングや構造的変化は確認されなかった。
• しきい値電圧のシフトおよび温度依存的トランスファ特性の結果から、追加のドーピング効果なしにショットキー準位差の低減が裏付けられた。
• 接触品質の向上は、硫黄処理による表面状態の増加に起因し、界面における電子的結合が強化されたことが要因であるとされた。