[논문 리뷰] Mobility enhancement and highly efficient gating of monolayer MoS2 transistors with Polymer Electrolyte

Ming‐Wei Lin, Lezhang Liu외 7명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 19.

Quantum-Dot Cellular Automata인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 PEO/LiClO4 고분자 전해질층이 단일층 MoS2 트랜지스터의 접촉 저항을 감소시키고 채널 이동도를 향상시켜 필드효과 이동도를 최대 세 자리 수준으로 향상시킴으로써 중대한 성능 향상을 보여준다. 게이트 다이일렉트릭으로 사용될 경우, 강한 전기적 결합으로 인해 거의 이상적인 서브스위치 승강과 높은 on/off 비율을 달성한다.

ABSTRACT

We report electrical characterization of monolayer molybdenum disulfide (MoS2) devices using a thin layer of polymer electrolyte consisting of poly(ethylene oxide) (PEO) and lithium perchlorate (LiClO4) as both a contact-barrier reducer and channel mobility booster. We find that bare MoS2 devices (without polymer electrolyte) fabricated on Si/SiO2 have low channel mobility and large contact resistance, both of which severely limit the field-effect mobility of the devices. A thin layer of PEO/ LiClO4 deposited on top of the devices not only substantially reduces the contact resistance but also boost the channel mobility, leading up to three-orders-of-magnitude enhancement of the field-effect mobility of the device. When the polymer electrolyte is used as a gate medium, the MoS2 field-effect transistors exhibit excellent device characteristics such as a near ideal subthreshold swing and an on/off ratio of 106 as a result of the strong gate-channel coupling.

연구 동기 및 목표

• Si/SiO2 기반에서 단일층 MoS2 트랜지스터의 낮은 필드효과 이동도와 높은 접촉 저항 문제를 해결하기 위해.
• 금속-반도체 접합에서의 쇼트키 장벽을 감소시켜 장치 성능을 향상시키기 위해.
• 2차원 반도체의 효율적인 전기적 게이팅을 위한 효과적인 다이일렉트릭으로 고분자 전해질의 사용을 탐색하기 위해.
• MoS2 필드효과 트랜지스터에서 높은 on/off 비율과 거의 이상적인 서브스위치 승강을 달성하기 위해.
• 2차원 반도체 장치 성능 향상을 위한 확장 가능하고 용액 기반 공정 방법을 입증하기 위해.

제안 방법

• 리튬 클로레이트(LiClO4)를 도핑한 폴리에틸렌 옥사이드(PEO)의 얇은 필름을 단일층 MoS2 트랜지스터에 스핀코ating하였다.
• PEO/LiClO4 층은 이중 기능을 수행하였다: 금속-MoS2 인터페이스에서의 접촉 저항 감소와 전기적 게이팅을 위한 고-κ 다이일렉트릭 역할.
• 이온 이동과 인터페이스에서의 페르미 수준 고정 완화를 통해 접촉 저항이 감소하였다.
• 다양한 게이트 전압 하에서 표준 트랜지스터 특성 측정을 통해 필드효과 이동도와 서브스위치 승강을 측정하였다.
• 고용량과 이온 유도 전하 축적 덕분에 고분자 전해질이 높은 용량과 강한 게이트-채널 결합을 가능케 하였다.
• Ti/Au 전극을 갖춘 Si/SiO2 기반에서 장치를 제작하고 대기 조건에서 특성 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고분자 전해질 층이 단일층 MoS2 트랜지스터에서 접촉 저항을 효과적으로 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 PEO/LiClO4 전해질이 단일층 MoS2의 필드효과 이동도를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 서브스위치 승강과 on/off 비율 측면에서 고분자 전해질이 게이트 다이일렉트릭으로서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ4 관찰된 이동도 향상과 접촉 저항 감소의 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 고전압 작동이 필요 없이 전해질 층이 효율적인 전기적 게이팅을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• PEO/LiClO4 층은 접촉 저항을 크게 감소시켜 필드효과 이동도가 세 자리 수준으로 증가하였다.
• 필드효과 이동도는 최대 100 cm²/V·s에 도달하여, 낮은 이동도를 보이는 순수 MoS2 장치에 비해 상당한 향상이 이루어졌다.
• 서브스위치 승강은 이상적인 값인 60 mV/데카드에 근접하여 높은 품질의 전기적 제어를 나타냈다.
• on/off 비율 10⁶을 달성하여 강력한 스위칭 특성을 입증하였다.
• 고용량과 강한 게이트-채널 결합 덕분에 고분자 전해질이 효율적인 게이팅을 가능케 하였다.
• 향상 효과는 이온 이동을 통한 접촉 장벽 감소와 효과적인 다이일렉트릭 스크리닝의 공통 작용으로 기인되었다.