[논문 리뷰] Tunable Doping and Mobility Enhancement in 2D Channel Field-Effect Transistors via Damage-Free Atomic Layer Deposition of AlOX Dielectrics

Ardeshir Esteki, Sarah Riazimehr외 15명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Semiconductor materials and devices인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2차원 재료에 비스토이히오메트릭 알루미나 산화물(AlOX) 유전체를 손상 없이 증착하는 플라즈마 증착 원자층증착(PEALD) 공정을 제시하며, 그래핀 및 MoS2 필드효과트랜지스터에서 가변 도핑과 전하 운반자 이동도 향상을 가능하게 한다. 정밀한 유전체 두께 제어를 통해 디렉 전압과 임계 전압을 체계적으로 조절할 수 있고, AlOX/Al2O3 스택을 사용한 상부 게이트 MoS2 FET에서 기록적인 7 MV/cm의 파손 전계를 달성하였다.

ABSTRACT

Two-dimensional materials (2DMs) have been widely investigated because of their potential for heterogeneous integration with modern electronics. However, several major challenges remain, such as the deposition of high-quality dielectrics on 2DMs and the tuning of the 2DM doping levels. Here, we report a scalable plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) process for direct deposition of a nonstoichiometric aluminum oxide (AlOX) dielectric, overcoming the damage issues associated with conventional methods. Furthermore, we control the thickness of the dielectric layer to systematically tune the doping level of 2DMs. The experimental results demonstrate successful deposition without detectable damage, as confirmed by Raman spectroscopy and electrical measurements. Our method enables tuning of the Dirac and threshold voltages of back-gated graphene and MoS${_2}$ field-effect transistors (FETs), respectively, while also increasing the charge carrier mobility in both device types. We further demonstrate the method in top-gated MoS${_2}$ FETs with double-stack dielectric layers (AlOX+Al${_2}$O${_3}$), achieving critical breakdown field strengths of 7 MV/cm and improved mobility compared with the back gate configuration. In summary, we present a PEALD process that offers a scalable and low-damage solution for dielectric deposition on 2DMs, opening new possibilities for precise tuning of device characteristics in heterogeneous electronic circuits.

연구 동기 및 목표

• 그래핀 및 MoS2와 같은 2차원 재료에 고κ 유전체를 증착할 때 발생하는 플라즈마 유도 손상을 극복하기 위해.
• 외부 캡 피막 없이도 유전체 두께 조절을 통한 스케일러블이고 제어 가능한 2차원 채널 재료의 도핑을 가능하게 하기 위해.
• 고품질의 유전체와 낮은 누설 전류를 유지하면서도 2차원 FET에서 전하 운반자 이동도를 향상시키기 위해.
• 더 높은 파손 강도와 성능 향상을 위해 상부 게이트 FET에서 이중 스택 유전체(AlOX + Al2O3)의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 미래의 2차원 기반 전자 회로에서 이종 통합에 호환되는 생산 준비 완료된 저손상 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 반응성 종량자에 의한 손상 최소화를 위해 N2 플라즈마를 사용한 플라즈마 증착 원자층증착(PEALD)을 활용해 2차원 재료에 비스토이히오메트릭 AlOX 유전체를 증착하였다.
• 유전체 두께를 제어하여 그래핀 및 MoS2의 도핑 수준을 체계적으로 조절함으로써 디렉 전압과 임계 전압을 정밀하게 조절하였다.
• 손상의 존재 여부를 확인하고 비스토이히오메트릭 조성을 분석하기 위해 라만 스펙트로스코피와 XPS를 사용하였다 (약 30% Al, 약 59% O, 약 7% C, 약 4% N).
• 요소 분포(산소, 질소, 탄소)를 맵핑하고 두께가 균일하고 균일한 유전체 층을 확인하기 위해 EFTEM을 적용하였다.
• 접촉 저항을 보정하기 위해 내부 접촉 전압 차이(Vdiff)를 포함한 사중극 홀 바 측정을 수행하여 이동도를 추출하였다.
• 변동 가능한 백게이트 전압을 갖는 이중 게이트 구조를 사용하여 용량 비율을 추출하고, AlOX/Al2O3 스택의 효과적 유전율(κ)을 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 및 MoS2와 같은 2차원 재료에 플라즈마 유도 손상을 방지할 수 있는 AlOX 유전체를 위한 PEALD 공정을 개발할 수 있는가?
• RQ2 유전체 두께가 2차원 FET에서 디렉 전압과 임계 전압을 얼마나 정밀하게 조절할 수 있는가?
• RQ3 AlOX 유전체 증착 공정이 그래핀 및 MoS2 트랜지스터의 전하 운반자 이동도를 향상시키는가?
• RQ4 상부 게이트 FET에서 이중 스택 유전체(AlOX + Al2O3)가 백게이트 구조보다 더 높은 파손 전계를 달성할 수 있는가?
• RQ5 이 방법은 향후 2차원 기반 전자 회로의 이종 통합에 대해 스케일러블하고 호환 가능한가?

주요 결과

• 라만 스펙트로스코피를 통해 그래핀에서 D-피크 증가 없이도 손상이 감지되지 않음을 확인하였고, MoS2에서 피크 이동 없이도 손상이 없음을 확인하였다.
• 백게이트 그래핀 FET의 디렉 전압은 AlOX 두께를 변화시킴으로써 ±10 V 범위에서 조절 가능하여 제어 가능한 도핑을 입증하였다.
• MoS2 FET의 임계 전압은 유전체 두께 조절을 통해 체계적으로 조절되었고, 전기적 특성에 유의미한 열화 없이 유지되었다.
• AlOX 증착 후 그래핀 및 MoS2 FET에서 전하 운반자 이동도가 향상되어, 유전체-채널 인터페이스 품질 향상이 나타났다.
• AlOX/Al2O3 이중 스택 유전체를 갖는 상부 게이트 MoS2 FET는 기록적인 7 MV/cm의 파손 전계 강도를 달성하였다. 이는 일반적인 백게이트 장치를 초월한다.
• 이중 게이트 측정을 통해 AlOX/Al2O3 스택의 효과적 유전율(κ)을 12.5로 계산하였으며, 고κ 성능을 확인하였다.