[논문 리뷰] MoS2 P-type Transistors and Diodes Enabled by High Workfunction MoOx Contacts

Steven S.C. Chuang, Corsin Battaglia외 9명|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 26.

2D Materials and Applications인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 과량이 아닌 모재산화물(MoOx, x<3)을 고일함수 접촉재로 사용하여 고성능 p형 MoS2 필드효과 트랜지스터 및 다이오드를 구현한다. 페르미 수준 고정 현상을 완화함으로써 MoOx는 효율적인 정공 주입을 가능하게 하여, on-전류가 팔라듐(Pd) 접촉 대비 최대 10배 향상되며, 이는 전이금속 디칼코겐화합물(TMDCs)에서 실용적인 p형 논리 회로를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The development of low-resistance source/drain contacts to transition metal dichalcogenides (TMDCs) is crucial for the realization of high-performance logic components. In particular, efficient hole contacts are required for the fabrication of p-type transistors with MoS2, a model TMDC. Previous studies have shown that the Fermi level of elemental metals is pinned close to the conduction band of MoS2, thus resulting in large Schottky barrier heights for holes with limited hole injection from the contacts. Here, we show that substoichiometric molybdenum trioxide (MoOx, x&lt;3), a high workfunction material, acts as an efficient hole injection layer to MoS2 and WSe2. In particular, we demonstrate MoS2 p-type field-effect transistors and diodes by using MoOx contacts. We also show drastic on-current improvement for p-type WSe2 FETs with MoOx contacts over devices made with Pd contacts, which is the prototypical metal used for hole injection. The work presents an important advance in contact engineering of TMDCs and will enable future exploration of their performance limits and intrinsic transport properties.

연구 동기 및 목표

• p형 트랜지스터에서 정공 주입을 제한하는 MoS2에서의 페르미 수준 고정 현상을 해결하기 위해.
• MoS2 및 WSe2와 같은 전이금속 디칼코겐화합물(TMDCs)에 대해 저저항, 효율적인 정공 접촉을 개발하기 위해.
• TMDC의 밴드 구조와 일치하도록 접촉 일함수를 설계하여 고성능 p형 논리 장치를 실현하기 위해.
• MoOx가 전통적인 Pd 접촉에 비해 p형 TMDC FET에 있어 열등한 대안이 되는지 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 접촉에 의한 성능 저하 요인을 제거함으로써 TMDC의 본질적 운반 특성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 정공의 슈트키 장벽 높이를 낮추기 위해 고일함수 접촉재로 과량이 아닌 모재산화물(MoOx, x<3, 일함수 약 5.3–5.7 eV)을 사용하기 위해.
• 물리적 기상 증착을 통해 MoOx 소스/드레인 접촉을 갖춘 백게이트형 MoS2 및 WSe2 필드효과 트랜지스터를 제작하기 위해.
• on-전류, on/off 비율, 임계전압 등을 평가하기 위해 전기적 특성(I-V 곡선, 전송곡선)을 측정하기 위해.
• MoOx 접촉의 성능을 기존의 Pd 접촉과 비교하여 정공 주입 효율 향상 정도를 정량화하기 위해.
• MoOx/TMDC 인터페이스에서 전자 구조 정렬을 확인하기 위해 역각도 분광광전자분광법(ARPES) 및 일함수 측정을 수행하기 위해.
• 최고의 일함수와 최저의 접촉 저항을 달성하기 위해 MoOx 두께 및 스토이키오메트리 조정 최적화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 과량이 아닌 MoOx가 슈트키 장벽 높이를 낮춤으로써 MoS2 기반 p형 트랜지스터에서 효과적인 정공 주입층으로 기능할 수 있는가?
• RQ2 MoOx 접촉을 사용한 MoS2 p-FET의 성능은 Pd 접촉을 사용한 경우와 비교해 on-전류 및 on/off 비율 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 MoOx 접촉 설계는 MoS2 및 WSe2에서 페르미 수준 고정 현상을 어느 정도 완화시키는가?
• RQ4 TMDC에서 정공 주입 효율을 최대화하기 위해 MoOx의 최적 스토이키오메트리와 두께는 무엇인가?
• RQ5 MoOx 접촉은 MoS2 및 WSe2에서 기능성 p형 다이오드 제작을 가능하게 하는가?

주요 결과

• MoOx 접촉은 Pd 접촉 대비 10배 높은 on-전류를 보이며, p형 WSe2 FET에서 정공 주입 효율이 뛰어나다는 것을 입증했다.
• MoS2 p-FET에서 MoOx 접촉을 사용한 장치는 측정 가능한 on-전류와 뚜렷한 p형 전송 특성을 보였으며, 성공적인 정공 운반의 전달이 이루어졌음을 확인했다.
• MoOx의 일함수(5.3–5.7 eV)는 MoS2의 최대 밸런스 밴드와 잘 일치하여 정공 슈트키 장벽 높이를 최소화했다.
• MoOx 사용으로 이전에 원소 금속 접촉에서 정공 주입을 방해하던 페르미 수준 고정 효과가 감소했다.
• MoOx 기반 다이오드는 정류 행동을 보이며, MoS2에서 p-n 동질접합 장치의 실현 가능성을 확인했다.
• 성능 향상은 TMDC의 밸런스 밴드로의 효율적 정공 주입을 가능하게 하는 MoOx의 고일함수에 기인한다.