[논문 리뷰] Thermally Oxidized Two-dimensional TaS2 as a High-\k{appa} Gate Dielectric for MoS2 Field-Effect Transistors

Bhim Chamlagain, Qingsong Cui외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 24.

2D Materials and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 기계적 분리된 다층 TaS2 플레인을 열산화시켜 고κ(κ ≈ 15.5) Ta2O5 절연체를 만드는 새로운 방법을 제시한다. 이는 MoS2 필드효과 트랜지스터의 게이트 절연체로 사용되며, 하부-게이트 및 상부-게이트 FET 모두에서 61 mV/dec의 서브스위치 승화, 약 10⁶ 수준의 on/off 비율, 그리고 60 cm²V⁻¹s⁻¹를 초과하는 이동도를 달성하여 높은 절연체 품질과 낮은 인터페이스 트랩 밀도를 나타낸다.

ABSTRACT

We report a new approach to integrating high-\k{appa} dielectrics in both bottom- and top-gated MoS2 field-effect transistors (FETs) through thermal oxidation and mechanical assembly of layered twodimensional (2D) TaS2. Combined X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), optical microscopy, atomic force microscopy (AFM), and capacitance-voltage (C-V) measurements confirm that multilayer TaS2 flakes can be uniformly transformed to Ta2O5 with a high dielectric constant of ~ 15.5 via thermal oxidation, while preserving the geometry and ultra-smooth surfaces of 2D TMDs. Top-gated MoS2 FETs fabricated using the thermally oxidized Ta2O5 as gate dielectric demonstrate a high current on/off ratio approaching 106, a subthreshold swing (SS) down to 61 mV/dec, and a field-effect mobility exceeding 60 cm2V-1 s-1 at room temperature, indicating high dielectric quality and low interface trap density.

연구 동기 및 목표

• 2D 전이금속디칼코겐화합물(TMDs)인 MoS2와 호환 가능한 고κ 절연체를 개발하여 고성능 필드효과 트랜지스터를 구현하는 것.
• 인터페이스 트랩 및 표면 거칠기 등의 과제를 해결하기 위해 2D 재료와의 절연체 통합 기술을 개선하는 것.
• 동일한 절연체 통합 방법을 통해 하부-게이트 및 상부-게이트 MoS2 FET 구조를 모두 실현하는 것.
• 2D 재료의 초미세 평탄한 표면과 원자두께 기하구조를 유지하면서도 고κ 절연체 특성을 확보하는 것.

제안 방법

• 다층 TaS2 플레인을 기계적으로 분리하여 열산화시켜 두께와 균일성이 제어된 Ta2O5로 전환하는 것.
• X선 광전자분광법(XPS)을 활용해 TaS2에서 Ta2O5로의 화학적 상전이를 확인하는 것.
• 원자력현미경(AFM) 및 광학 현미경을 이용해 산화 후 표면 형태와 두께 유지 여부를 검증하는 것.
• 열산화된 Ta2O5를 게이트 절연체로 사용하여 하부-게이트 및 상부-게이트 MoS2 FET를 제작하는 것.
• 용량-전압(C-V) 특성 측정을 통해 절연체 상수 및 인터페이스 트랩 밀도를 산정하는 것.
• 제작된 FET에서 서브스위치 승화, on/off 비율, 및 필드효과 이동도를 측정하여 전기적 성능을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D TaS2의 열산화가 2D 기하구조와 초미세 평탄한 표면을 유지하면서 고κ 절연체를 생성할 수 있는가?
• RQ2 2D TaS2에서 유도된 열산화된 Ta2O5의 절연체 상수는 얼마이며, 기존 절연체와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 MoS2와 열산화된 Ta2O5 사이의 인터페이스 품질이 서브스위치 승화 및 on/off 비율과 같은 트랜지스터 성능 지표에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 동일한 절연체 통합 공정이 하부-게이트 및 상부-게이트 MoS2 FET 구조 모두에 적용 가능한가?
• RQ5 이 새로운 절연체를 사용한 MoS2 FET에서 확보 가능한 필드효과 이동도는 얼마인가?

주요 결과

• 다층 TaS2 플레인의 열산화가 균일하게 이루어져 절연체 상수가 약 15.5인 Ta2O5로 전환된다.
• 산화 공정 동안 원래의 TaS2 플레인의 초미세 평탄한 표면과 2D 기하구조가 유지됨을 AFM 및 광학 현미경으로 확인되었다.
• 열산화된 Ta2O5 절연체를 사용한 상부-게이트 MoS2 FET는 최소 61 mV/dec의 서브스위치 승화를 달성하여 낮은 인터페이스 트랩 밀도를 나타낸다.
• 장치는 on/off 비율이 약 10⁶에 가까워 우수한 스위칭 특성을 보였다.
• 실온에서 필드효과 이동도가 60 cm²V⁻¹s⁻¹를 초과하여 높은 적재 운반 품질을 나타낸다.
• 고κ, 낮은 인터페이스 트랩 밀도, 우수한 형태 유지 특성의 조합은 2D FET 응용 분야에 적합한 높은 품질의 절연체임을 확인한다.