[논문 리뷰] Sulfur Treatment for Schottky Barrier Reduction in metal/MoS2 contacts: A new Proposal for Contact Engineering on TMDs

Shubhadeep Bhattacharjee, K. Ganapathi외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 16.

2D Materials and Applications참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 금속/MoS₂ 인터페이스에서 표면 상태를 공 ing하여 쇼트키 장벽 높이를 감소시키고 접촉 품질을 향상시키기 위해 황 처리를 제안한다. 표면 상태를 증가시킴으로써, Ni/MoS₂ 및 Pd/MoS₂ 접촉에서 각각 80–135 meV의 장벽 감소를 달성하였으며, 이는 구조적 또는 도핑 변화 없이 이동도가 2배 향상되고 변동성이 감소하는 데 기여한다.

ABSTRACT

Variability and lack of control in the nature of contacts between metal/MoS2 interface is a major bottleneck in the realisation of high-performance devices based on layered materials for several applications. In this letter, we report on the reduction in Schottky barrier height at metal/MoS2 interface by engineering the surface states through sulphur treatment. Electrical characteristics for back-gated MoS2 field effect transistor structures were investigated for two high work-function metal contacts Ni and Pd. Contacts on MoS2 treated with sulphur exhibited significant improvements in Ohmic nature with concomitant reduction in variability compared to those on untreated MoS2 films leading to a 2x increase in extracted mobility. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurements, Raman Spectroscopy and comparison of threshold voltages indicated absence of additional doping or structural changes due to sulphur treatment. The Schottky barrier heights were extracted from temperature-dependent transfer characteristics based on the thermionic current model. A reduction in barrier height of 80 and 135 meV extracted for Ni/MoS2 and Pd/MoS2 contacts respectively is hence attributed to the increase in surface states (or stronger Fermi level pinning) due to sulphur treatment. The corresponding charge neutrality levels at metal/MoS2 interface, were extracted to be 0.16 eV (0.17 eV) below the conduction band before (after) Sulphur treatment. This first report of surface states engineering in MoS2 leading to superior contacts is expected to significantly benefit the entire class of devices based on layered 2D materials.

연구 동기 및 목표

• 고성능 2차원 반도체 장치의 주요 걸림돌인 금속/MoS₂ 접촉에서의 높은 변동성과 낮은 제어성 문제를 해결한다.
• 장치 성능을 제한하는 금속/전이금속 디 chalcogenide(TMD) 인터페이스에서의 쇼트키 장벽 형성 문제를 극복한다.
• MoS₂의 구조나 도핑 수준을 변경하지 않고도 인터페이스 전자적 성질을 조절할 수 있는 표면 상태 공학 전략을 새로운 방법으로 탐색한다.
• 황 처리된 인터페이스를 사용하여 백게이트 MoS₂ 필드효과 트랜지스터에서 개선된 접촉 품질과 재현 가능성을 입증한다.
• 황 처리가 쇼트키 장벽 높이, 패딩된 패러미 레벨, 전하 수송 특성에 미치는 영향을 정량화한다.

제안 방법

• 금속 증착 이전에 MoS₂ 표면에 황 처리를 적용하여 인터페이스의 표면 상태를 수정한다.
• 처리된 및 처리되지 않은 MoS₂에 Ni와 Pd를 고일함수 접촉 금속으로 사용하여 백게이트 MoS₂ 필드효과 트랜지스터를 제작한다.
• 열적 의존성 전이 특성을 사용하여 열전자 방출 모델을 통해 쇼트키 장벽 높이를 추출한다.
• X선 광전자 분광법(XPS)을 활용하여 처리 후 화학 도핑이나 구조적 변화가 없는지 확인한다.
• 황 처리로 인한 격자 손상이나 응력 유도 여부를 검증하기 위해 라만 분광법을 수행한다.
• 임계 전압 이동과 전하 중성 수준 분석을 통해 황 처리로 인한 패딩된 패러미 레벨 변화를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 황 처리는 도핑이나 구조적 결함을 유도하지 않고도 금속/MoS₂ 인터페이스에서 쇼트키 장벽 높이를 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 황 처리는 MoS₂ 상의 금속 접촉의 변동성과 옴스 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 황 처리를 통한 표면 상태 공학이 MoS₂ FET에서 실현되는 실현 가능한 실질적 운반체 수송 및 이동도 향상 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 황 처리 후 금속/MoS₂ 인터페이스에서 패딩된 패러미 레벨과 전하 중성 수준은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 XPS 및 라만 분광법으로 확인된 바와 같이, 황 처리는 MoS₂의 고유 전자적 성질이나 격자 구조를 변화시키는가?

주요 결과

• 황 처리로 Ni/MoS₂ 접촉에서 80 meV, Pd/MoS₂ 접촉에서 135 meV의 쇼트키 장벽 높이 감소가 관찰되었다.
• 추출된 전하 중성 수준은 처리되지 않은 경우 도너 밴드 이하 0.16 eV에서 황 처리 후 0.17 eV로 이동하여 더 강한 패딩된 패러미 레벨을 나타내었다.
• 황 처리된 접촉을 가진 MoS₂ FET에서 추출된 필드효과 이동도가 처리되지 않은 경우 대비 2배 향상되었다.
• XPS 및 라만 측정 결과, 황 처리 후 MoS₂에서 유의미한 화학 도핑이나 구조적 변화가 없음을 확인하였다.
• 임계 전압 이동과 온도 의존성 전이 특성 분석 결과, 추가 도핑 효과 없이도 쇼트키 장벽 높이 감소가 확인되었다.
• 접촉 품질 향상은 황 처리로 인한 표면 상태 증가로 인한 인터페이스 전자적 결합 강화 때문이며, 이는 유일한 원인으로 기인된다.