[논문 리뷰] P-type polar transition of chemically doped multilayer MoS2 transistor

Xiaochi Liu, Deshun Qu외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 09.

2D Materials and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 화학 도핑을 통해 고성능 p형 다층 MoS2 필드효과트랜지스터(PFET)를 구현하여 실온에서 10⁷의 on/off 비율과 72 cm²/V·s의 정공 이동도를 달성하였으며, 133 K에서 각각 10⁹와 132 cm²/V·s로 향상되었다. 이 작업은 p형 동작을 위한 핵심 장벽으로서 접합 저항(Rc)과 채널 저항율(Rs)을 규명하고, 고일함수 금속 접촉에서의 Rc 감소와 채널의 p형 도핑이 n형에서 p형으로의 극성 전환에 필수적임을 입증하였다.

ABSTRACT

The accessibility of both n-type and p-type MoS2 FET is necessary for complementary device applications involving MoS2. However, MoS2 PFET is rarely achieved due to pinning effect resulting high Rc at metal-MoS2 interface and the inherently strong n-type property of the MoS2 material. In this study, we realized a high-performance multi-layer MoS2 PFET via controllable chemical doping, which has an excellent on/off ratio of 107 and a maximum hole mobility of 72 cm2/Vs at room temperature, and these values are further exceeding to 109 and 132 cm2/Vs at 133K. In addition, we revealed that large Rc hindered the polar transition of MoS2 FET from n-type to p-type, meanwhile channel Rs limited Ion of PFET. Therefore it is suggested that reducing Rc at high work function metal-MoS2 interface and p-type doping of channel were necessary for achieving high performance MoS2 PFET. Based on the high performance PFET, we successfully demonstrated a MoS2 CMOS inverter by integrating NFET and PFET.

연구 동기 및 목표

• MoS2의 본질적인 n형 성향을 극복하고 보완 논리 응용을 위한 p형 동작을 가능하게 하기 위해.
• MoS2와 금속의 접합면에서 발생하는 페닝 효과가 p형 성능을 제한하는 문제를 해결하기 위해.
• 극성 전환을 방해하는 주요 저항성 장벽인 접촉부의 저항(Rc)과 채널 내 저항율(Rs)을 규명하고 이를 완화하기 위해.
• 통합된 NFET와 PFET를 이용해 기능성 MoS2 기반 CMOS 인버터를 구현하기 위해.
• 통제된 화학 도핑과 인터페이스 공학을 통해 고성능 p형 MoS2 트랜지스터의 설계 원칙을 수립하기 위해.

제안 방법

• p형 도핑제를 사용한 다층 MoS2 채널의 화학 도핑을 통해 정공 도핑을 유도하기 위해.
• Schottky 접촉을 형성하고 접촉 저항(Rc)을 감소시키기 위해 고일함수 금속(예: Pd, Pt)을 사용하기 위해.
• 이동도, on/off 비율, 접촉 저항을 추출하기 위해 전이 및 출력 특성의 체계적 측정을 수행하기 위해.
• 저온(133 K)에서의 전기적 특성 측정을 통해 실온 대비 실내 운반자 이동도 향상과 산란 감소를 도모하기 위해.
• 보완 기능을 검증하기 위해 n형 및 p형 FET를 통합하여 CMOS 인버터를 제작하기 위해.
• 전이 길이 방법(TLM)과 필드효과 모델 피팅을 사용하여 Rc 및 Rs 기여도 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoS2 FET에서 p형 동작을 방해하는 주요 저항성 장벽은 무엇인가요?
• RQ2 화학적 p형 도핑은 다층 MoS2에서 n형에서 p형 성향으로의 극성 전환에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 접촉 저항(Rc)과 채널 저항율(Rs)은 얼마나 감소시킬 수 있으며, 이는 고성능 PFET 실현에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 화학 도핑된 PFET와 NFET를 사용하여 실용적인 MoS2 CMOS 인버터를 실현할 수 있는가요?
• RQ5 온도는 도핑된 MoS2 트랜지스터에서 정공 이동도와 on/off 비율 향상에 어떤 역할을 하나요?

주요 결과

• 실온에서 on/off 비율 10⁷, 정공 이동도 72 cm²/V·s를 확보한 p형 MoS2 FET를 구현하였다.
• 133 K에서 on/off 비율은 10⁹로 증가하였고, 정공 이동도는 132 cm²/V·s에 도달하여 산란 감소와 향상된 운반자 이동성의 영향을 확인하였다.
• MoS2와 금속의 접합면에서 높은 접촉 저항(Rc)이 극성 전환의 주요 장벽으로 규명되었으며, 이는 본질적 물성보다는 접합 특성에 기인함을 확인하였다.
• 채널 저항율(Rs)이 p형 동작에서 on-전류(Ion)를 제한하는 것으로 밝혀져 효과적인 p형 도핑의 필요성을 강조하였다.
• 고일함수 금속 접촉에 의한 Rc 감소와 p형 도핑 최적화가 고성능 PFET 실현에 필수적임을 확인하였다.
• 화학 도핑된 PFET와 NFET를 통합하여 성공적으로 기능성 MoS2 CMOS 인버터를 제작하였으며, 보완 논리의 실현 가능성을 검증하였다.