[논문 리뷰] MoS2 Field-effect Transistors with Graphene/Metal Heterocontacts

Yuchen Du, Lingming Yang외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 21.

Molecular Junctions and Nanostructures인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 그래핀/Ti 이종접합을 갖는 n형 다층 MoS2 필드효과 트랜지스터를 통해 1 µm 게이트 길이에서 160 mA/mm 이상의 기록적인 드레인 전류와 10⁷의 온-오프 비율을 달성하였다. 그래핀 중간층은 접합 저항을 3.3배 감소시키고 온 저항을 2.1배 향상시켜, 이송 길이 및 I-V 방법을 통해 설계된 쇼트키 접합을 통한 성능 향상이 확인되었다.

ABSTRACT

For the first time, n-type few-layer MoS2 field-effect transistors with graphene/Ti as the hetero-contacts have been fabricated, showing more than 160 mA/mm drain current at 1 μm gate length with an on-off current ratio of 107. The enhanced electrical characteristic is confirmed in a nearly 2.1 times improvement in on-resistance and a 3.3 times improvement in contact resistance with hetero-contacts compared to the MoS2 FETs without graphene contact layer. Temperature dependent study on MoS2/graphene hetero-contacts has been also performed, still unveiling its Schottky contact nature. Transfer length method and a devised I-V method have been introduced to study the contact resistance and Schottky barrier height in MoS2/graphene /metal hetero-contacts structure.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 중간층을 도입하여 MoS2 필드효과 트랜지스터의 높은 접합 저항 문제를 해결하고자 한다.
• 다층 MoS2 FET에서 그래핀/금속 이종접합을 통해 장치 성능을 향상시키고자 한다.
• 온도 의존 측정을 통해 MoS2/그래핀/Ti 인터페이스에서의 쇼트키 접합 거동을 특성화하고자 한다.
• 이송 길이 및 맞춤형 I-V 방법을 사용하여 접합 저항과 쇼트키 장벽 높이를 정량화하고자 한다.
• 나노전자소자용 스케일러블이고 고성능의 n형 MoS2 트랜지스터를 구현하고자 한다.

제안 방법

• 소스 및 드레인 전극으로 그래핀/Ti 이종접합을 갖는 n형 다층 MoS2 FET를 제작하였다.
• MoS2/그래핀 인터페이스에서의 쇼트키 접합 성질을 분석하기 위해 온도 의존 전기적 측정을 수행하였다.
• 이송 길이 방법(TLM)을 적용하여 MoS2/그래핀/금속 구조에서의 접합 저항을 추출하였다.
• 새로운 I-V 방법을 개발하여 쇼트키 장벽 높이와 접합 저항을 독립적으로 결정하였다.
• 장치 성능 평가를 위해 다양한 게이트 전압에서 드레인 전류와 온-오프 비율을 측정하였다.
• 고전류 능력과 스케일러비리티를 평가하기 위해 1 µm 게이트 길이를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀/금속 이종접합은 MoS2 FET에서 접합 저항을 크게 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 MoS2/그래핀/Ti 인터페이스에서의 쇼트키 장벽 높이와 접합 거동은 무엇인가?
• RQ3 그래핀 중간층은 온 저항과 전체 장치 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 이송 길이 방법과 맞춤형 I-V 방법은 이종구조 MoS2 장치에서 접합 매개변수를 얼마나 정확하게 추출할 수 있는가?
• RQ5 그래핀 기반 접합을 갖는 n형 MoS2 FET에서 고드레인 전류와 높은 온-오프 비율을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 그래핀/Ti 이종접합을 갖는 MoS2 FET는 1 µm 게이트 길이에서 160 mA/mm를 초과하는 드레인 전류를 달성하였다.
• 10⁷의 온-오프 전류 비율을 확보하여 강력한 게이트 제어 및 낮은 오프 상태 누설을 확인하였다.
• 그래핀 층이 없는 MoS2 FET에 비해 접합 저항이 3.3배 감소하였다.
• 그래핀 중간층 덕분에 온 저항이 약 2.1배 향상되었다.
• 온도 의존 측정 결과, MoS2/그래핀 인터페이스의 쇼트키 접합 성질이 확인되었다.
• 이송 길이 방법과 개발된 I-V 방법은 이종구조에서 접합 저항과 쇼트키 장벽 높이를 성공적으로 정량화하였다.