[論文レビュー] Thermally Oxidized Two-dimensional TaS2 as a High-\k{appa} Gate Dielectric for MoS2 Field-Effect Transistors

Bhim Chamlagain, Qingsong Cui+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2018

2D Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、2次元TaS2フラクスを熱酸化することで、κ ≈ 15.5の高誘電率Ta2O5誘電体を新たに作製する手法を示した。この誘電体はMoS2の場効果トランジスタにおけるゲート酸化膜として使用され、サブスレッショルドスイング61 mV/dec、オン/オフ比は約10⁶、移動度は60 cm²V⁻¹s⁻¹を超える優れた性能を示し、高品質な誘電体および低界面準位密度を示している。

ABSTRACT

We report a new approach to integrating high-\k{appa} dielectrics in both bottom- and top-gated MoS2 field-effect transistors (FETs) through thermal oxidation and mechanical assembly of layered twodimensional (2D) TaS2. Combined X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), optical microscopy, atomic force microscopy (AFM), and capacitance-voltage (C-V) measurements confirm that multilayer TaS2 flakes can be uniformly transformed to Ta2O5 with a high dielectric constant of ~ 15.5 via thermal oxidation, while preserving the geometry and ultra-smooth surfaces of 2D TMDs. Top-gated MoS2 FETs fabricated using the thermally oxidized Ta2O5 as gate dielectric demonstrate a high current on/off ratio approaching 106, a subthreshold swing (SS) down to 61 mV/dec, and a field-effect mobility exceeding 60 cm2V-1 s-1 at room temperature, indicating high dielectric quality and low interface trap density.

研究の動機と目的

• 2次元遷移金属ジ chalcogenide (TMD) の1つであるMoS2と相性の良い高誘電率誘電体を、高性能場効果トランジスタ用に開発すること。
• 2次元材料との誘電体統合における課題、例えば界面準位や表面粗さを克服すること。
• 同一の誘電体統合プロセスを用いて、ボトムゲートおよびトップゲート両方のMoS2 FET構造を実現すること。
• 2次元材料の超滑らかで原子層厚の幾何学的形状を保持したまま、高誘電率定数 (κ) を達成すること。

提案手法

• 多層TaS2フラクスを機械的剥離により得て、制御された厚さと均一性を持つTa2O5に熱酸化する。
• X線フォトンエミッションスペクトロスコピー (XPS) を用いて、TaS2からTa2O5への化学的相転移を確認する。
• 原子間力顕微鏡 (AFM) および光学顕微鏡を用いて、酸化後の表面形態および厚さの保持を検証する。
• 熱酸化されたTa2O5をゲート酸化膜として用いて、ボトムゲートおよびトップゲート両方のMoS2 FETを形成する。
• 容量-電圧 (C-V) 特性の測定により、誘電率および界面準位密度を決定する。
• 実装されたFETにおける電気的性能を、サブスレッショルドスイング、オン/オフ比、および場効果移動度の観点から評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元TaS2の熱酸化は、2次元の形状と超滑らかな表面を保持した高誘電率誘電体を生成できるか？
• RQ2 2次元TaS2から得られる熱酸化Ta2O5の誘電率はどの程度であり、従来の誘電体と比較してどうなるか？
• RQ3 MoS2と熱酸化Ta2O5の界面品質は、サブスレッショルドスイングやオン/オフ比といったトランジスタ性能指標にどのように影響するか？
• RQ4 同一の誘電体統合プロセスをボトムゲートおよびトップゲート両方のMoS2 FETに適用可能か？
• RQ5 本新規誘電体を用いたMoS2 FETで達成可能な場効果移動度はどの程度か？

主な発見

• 多層TaS2フラクスの熱酸化は、均一にTa2O5に変換され、誘電率は約15.5に達する。
• 酸化プロセスにより、元のTaS2フラクスの超滑らかな表面および2次元幾何学的形状が保持され、AFMおよび光学顕微鏡による確認が得られた。
• 酸化Ta2O5をゲート酸化膜として用いたトップゲートMoS2 FETは、サブスレッショルドスイングが61 mV/decにまで低く抑えられ、低界面準位密度を示している。
• デバイスはオン/オフ比が約10⁶に近づき、優れたスイッチング特性を示した。
• 室温下で場効果移動度が60 cm²V⁻¹s⁻¹を超えることが確認され、高品質なキャリア輸送特性を示した。
• 高κ、低界面準位密度、優れた形態的保存性の組み合わせにより、2次元FET応用に適した高品質な誘電体であることが確認された。