[논문 리뷰] Low-Frequency 1/f Noise in Molybdenum Disulfide Transistors

J. Renteria, R. Samnakay외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 24.

2D Materials and Applications참고 문헌 3인용 수 77

한 줄 요약

이 연구는 MoS2 필드효과 트랜지스터에서 저주파수 1/f 노이즈를 조사하며, 캐리어 농도 변동의 McWhorter 모델이 그래핀과는 달리 노이즈 거동을 정확히 기술함을 보여준다. 주요 발견은 기판이 노화된 기기에서 채널 열화로 인해 노이즈가 증가하며, 트랩 밀도가 제작 시 1.5×10¹⁹ eV⁻¹cm⁻³에서 노화된 상태로 2×10²⁰ eV⁻¹cm⁻³로 증가함을 보여주며, MoS2 기반 전자소자의 핵심 요소로 채널 기반 노이즈가 중요함을 시사한다.

ABSTRACT

We report on the results of the low-frequency (1/f, where f is frequency) noise measurements in MoS2 field-effect transistors revealing the relative contributions of the MoS2 channel and Ti/Au contacts to the overall noise level. The investigation of the 1/f noise was performed for both as fabricated and aged transistors. It was established that the McWhorter model of the carrier number fluctuations describes well the 1/f noise in MoS2 transistors, in contrast to what is observed in graphene devices. The trap densities extracted from the 1/f noise data for MoS2 transistors, are 1.5 x 10^19 eV-1cm-3 and 2 x 10^20 eV-1cm-3 for the as fabricated and aged devices, respectively. It was found that the increase in the noise level of the aged MoS2 transistors is due to the channel rather than the contact degradation. The obtained results are important for the proposed electronic applications of MoS2 and other van der Waals materials.

연구 동기 및 목표

• MoS2 필드효과 트랜지스터에서 저주파수 1/f 노이즈의 기원을 이해하기 위해.
• 전체 노이즈 수준에 기여하는 MoS2 채널과 Ti/Au 접촉의 기여도를 구분하기 위해.
• 이중차원 전이금속 디칼코겐화합물 트랜지스터에서 기기 노화가 노이즈 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기존의 노이즈 모델, 예를 들어 McWhorter 모델이 그래핀과는 달리 MoS2에 적용 가능한지 확인하기 위해.

제안 방법

• 제작된 지 얼마 안 된 MoS2 트랜지스터와 노화된 MoS2 트랜지스터에서 저주파수 노이즈 측정을 수행함.
• 1/f 노이즈 데이터를 해석하기 위해 캐리어 농도 변동의 McWhorter 모델을 적용함.
• 모델의 이론적 프레임워크를 사용하여 노이즈 스펙트럼에서 트랩 밀도를 추출함.
• 게이트 및 드레인 전압을 변화시켜 기기 거동을 분석함으로써 MoS2 채널과 Ti/Au 접촉의 노이즈 기여도를 비교함.
• 전력 스펙트럼 밀도의 통계적 분석을 수행하여 1/f 노이즈의 진폭과 주파수 의존성을 정량화함.
• 신제품과 노화된 기기 간의 체계적 비교를 통해 열화 영향을 분리함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 노화 후 MoS2 트랜지스터에서 1/f 노이즈의 주요 원인은 채널인지 접촉인지인가?
• RQ2 캐리어 농도 변동의 McWhorter 모델이 다른 반도체와 마찬가지로 MoS2에서 1/f 노이즈를 정확히 기술하는가?
• RQ3 기기 노화는 MoS2 트랜지스터의 노이즈 수준과 트랩 밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이중차원 성질이 유사한 그래핀 기반 장치와 비교할 때 MoS2 트랜지스터의 노이즈 특성은 유사한가?
• RQ5 노화로 인한 트랩 밀도의 정량적 변화는 무엇이며, 그 변화는 채널 영역인지 접촉 영역에 국한되는가?

주요 결과

• McWhorter의 캐리어 농도 변동 모델은 그래핀 기반 장치에서 실패하는 것과는 달리, MoS2 트랜지스터에서 1/f 노이즈를 정확히 기술함.
• 제작 시 MoS2 트랜지스터의 트랩 밀도는 1.5×10¹⁹ eV⁻¹cm⁻³로 측정되었으며, 노화된 기기에서는 2×10²⁰ eV⁻¹cm⁻³로 증가함.
• 노화된 기기에서의 노이즈 증가는 Ti/Au 접촉의 열화가 아니라 MoS2 채널 내 트랩 생성으로 인한 것이 주요 원인임.
• 특히 노화 후에 채널이 접촉보다 훨씬 더 큰 노이즈 기여를 하며, 이는 채널 품질이 기기 안정성의 핵심 요소임을 시사함.
• 향후 이중차원 반도체 장치에서 1/f 노이즈를 줄이기 위해 MoS2 채널 내 트랩 상태를 제어하는 것이 필수적임을 시사함.
• 이 연구는 MoS2 기반 전자응용 분야의 신뢰성 및 성능 최적화에 필수적인 정량적 노이즈 지표를 제공함.