[논문 리뷰] Stable and scalable metallic phase on MoS2 using forming-gas microwave plasma

Chithra H. Sharma, Ananthu P. Surendran외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 22.

2D Materials and Applications참고 문헌 58인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 아르곤과 수소의 마이크로파 플라즈마 처리를 통해 2H-MoS2를 안정적인 금속성 1T 상으로 변환할 수 있는 확장 가능하고 리소그래픽으로 제어 가능한 방법을 제시한다. 이 기법은 금속성 거동를 보이는 연속적인 1T 영역을 가능하게 하며, 옹근 전도성, 낮은 시트 저항(~1 kΩ/sq), 그리고 300 °C까지의 열적 안정성을 보이며, 단일 2차원 전자소자에 적합하다.

ABSTRACT

Monolithic realization of metallic 1T and semiconducting 2H polymorphic phases makes MoS2 a potential candidate for future microelectronic circuits. Though co-existence of these phases has been reported, a method for engineering a stable 1T phase in a scalable manner, compatible with the standard device fabrication schemes is yet to emerge. In addition, there are no comprehensive studies on the electrical properties of the 1T phase. In this manuscript, we demonstrate a controllable and scalable 2H to 1T phase engineering technique for MoS2 using Ar + H2 microwave plasma. The technique enables us to realize 1T MoS2 starting from the 2H phase of arbitrary thickness and area. Our method allows lithographically defining continuous 1T regions in a 2H sample. The 1T samples withstand aging in excess of a few weeks in ambience and show a thermal stability up to 300 C, making it suitable for standard device fabrication techniques. We conduct both two-probe and four-probe electrical transport measurements on devices with back-gated field effect transistor geometry in a temperature range of 4 K to 300 K. The 1T samples exhibit Ohmic current-voltage characteristics in all temperature ranges without any dependence to the gate voltage, a signature indicative of metallic state. The sheet resistance of our 1T MoS2 sample is considerably lower than that of 2H samples while the carrier concentration of the 1T sample is few orders of magnitude higher than that of the 2H samples. In addition, our samples show negligible temperature dependence of resistance from 4 K to 300 K ruling out any hoping mediated or activated electrical transport.

연구 동기 및 목표

• 나노전자소자에 활용하기 위해 MoS2에서 금속성 1T 상을 유도할 수 있는 확장 가능하고 제어 가능한 방법을 개발한다.
• 기존 제조 공정과 호환되는 안정적이고 확장 가능한 1T-MoS2 합성의 부족을 보완한다.
• 단일 회로 통합을 위한 2H-MoS2 기반 매트릭스 내 연속적인 1T 영역의 리소그래픽 패턴링을 가능하게 한다.
• 환경 및 고온 조건에서의 전기적 특성을 특성화하여 금속성 거동과 안정성을 확인한다.

제안 방법

• 임의의 두께와 영역에서 2H에서 1T 상으로의 상전이를 유도하기 위해 Ar + H2 마이크로파 플라즈마를 사용한다.
• 균일한 상전이를 달성하면서 기판의 정합성을 유지하기 위해 제어된 환경에서 플라즈마 처리를 시행한다.
• 특정 영역에 대한 1T 상 형성을 정의하기 위해 리소그래픽 패턴링을 활용하여 선택적 금속화를 실현한다.
• 환경 조건에서의 후처리 특성 분석을 수행하여 시간이 지남에 따른 상 안정성을 평가한다.
• 4 K에서 300 K까지의 네점 측정 및 이점 측정 전기적 전도도 측정을 수행하여 금속성 거동을 평가한다.
• 시트 저항과 운반자 농도를 측정하여 금속성 특성을 정량화하고 2H-MoS2와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2H-MoS2를 안정적인 금속성 1T 상으로 변환할 수 있는 확장 가능하고 제어 가능한 방법을 개발할 수 있는가?
• RQ2 1T 상은 넓은 온도 범위(4 K에서 300 K)에서 금속성 전도 거동를 나타내는가?
• RQ3 리소그래픽 패턴링을 통해 2H-MoS2 매트릭스 내 연속적인 1T 영역를 정의할 수 있는가?
• RQ4 1T 상은 환경 조건과 고온에서 얼마나 안정한가?
• RQ5 1T 상의 전기적 전도 특성(저항, 운반자 농도)은 2H-MoS2와 비교해 어떤가?

주요 결과

• Ar + H2 마이크로파 플라즈마를 사용하여 임의의 두께와 영역에서 1T 상이 성공적으로 형성되어 확장 가능한 합성을 가능하게 하였다.
• 모든 온도 범위(4 K에서 300 K)에서 1T 상은 옹근 전류-전압 특성을 보이며, 금속성 거동를 확인하였다.
• 1T-MoS2의 시트 저항은 2H-MoS2보다 현저히 낮았으며, 약 ~1 kΩ/sq의 범위를 보였다.
• 1T 상의 운반자 농도는 2H-MoS2보다 수 개의 주기수준 높아, 높은 자유 운반자 밀도를 나타내었다.
• 4 K에서 300 K까지 저항의 온도 의존성이 거의 없었으며, 이는 터널링 또는 활성화된 전도 메커니즘이 아님을 시사하였다.
• 1T 상은 환경 조건에서 수 주간 안정성을 유지하였고, 300 °C까지의 구조적 정합성을 유지하였다.