[论文解读] Low-Frequency 1/f Noise in Molybdenum Disulfide Transistors

J. Renteria, R. Samnakay+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2013

2D Materials and Applications参考文献 3被引用 77

一句话总结

本研究调查了MoS2场效应晶体管中的低频1/f噪声，表明载流子浓度涨落的McWhorter模型能准确描述噪声行为——这与石墨烯中的情况不同。主要发现表明，器件老化导致沟道退化，噪声随之增加，陷阱密度从原始制备时的1.5×10¹⁹ eV⁻¹cm⁻³上升至老化后的2×10²⁰ eV⁻¹cm⁻³，凸显沟道相关噪声是MoS2基电子器件中的关键因素。

ABSTRACT

We report on the results of the low-frequency (1/f, where f is frequency) noise measurements in MoS2 field-effect transistors revealing the relative contributions of the MoS2 channel and Ti/Au contacts to the overall noise level. The investigation of the 1/f noise was performed for both as fabricated and aged transistors. It was established that the McWhorter model of the carrier number fluctuations describes well the 1/f noise in MoS2 transistors, in contrast to what is observed in graphene devices. The trap densities extracted from the 1/f noise data for MoS2 transistors, are 1.5 x 10^19 eV-1cm-3 and 2 x 10^20 eV-1cm-3 for the as fabricated and aged devices, respectively. It was found that the increase in the noise level of the aged MoS2 transistors is due to the channel rather than the contact degradation. The obtained results are important for the proposed electronic applications of MoS2 and other van der Waals materials.

研究动机与目标

• 理解MoS2场效应晶体管中低频1/f噪声的起源。
• 区分MoS2沟道与Ti/Au接触对整体噪声水平的贡献。
• 评估器件老化对二维过渡金属二硫属化合物晶体管噪声特性的影响。
• 确定既有的噪声模型（如McWhorter模型）是否适用于MoS2，而不同于其在石墨烯中的表现。

提出的方法

• 对原始制备和老化后的MoS2晶体管进行了低频噪声测量。
• 应用载流子浓度涨落的McWhorter模型来解释1/f噪声数据。
• 利用该模型的理论框架从噪声谱中提取陷阱密度。
• 通过分析在不同栅压和漏压下的器件行为，比较MoS2沟道与Ti/Au接触的噪声贡献。
• 采用功率谱密度的统计分析方法，量化1/f噪声的幅值和频率依赖性。
• 对新鲜与老化器件进行系统性对比，以隔离退化效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在老化后，MoS2晶体管中1/f噪声的主要来源是沟道还是接触区域？
• RQ2 McWhorter的载流子浓度涨落模型是否能准确描述MoS2中的1/f噪声，如同在其他半导体中一样？
• RQ3 器件老化如何影响MoS2晶体管的噪声水平和陷阱密度？
• RQ4 鉴于MoS2与石墨烯具有相似的二维特性，其噪声特性是否也类似？
• RQ5 老化导致的陷阱密度定量变化是多少？该变化主要集中在沟道还是接触区域？

主要发现

• McWhorter的载流子浓度涨落模型能准确描述MoS2晶体管中的1/f噪声，这与它在石墨烯基器件中的失效形成鲜明对比。
• 原始制备的MoS2晶体管中陷阱密度为1.5×10¹⁹ eV⁻¹cm⁻³，老化后上升至2×10²⁰ eV⁻¹cm⁻³。
• 老化器件中噪声的增加主要源于MoS2沟道中的陷阱生成，而非Ti/Au接触的退化。
• 沟道对噪声的贡献远大于接触区域，尤其是在老化后，表明沟道质量是器件稳定性的关键因素。
• 结果表明，控制MoS2沟道中的陷阱态对于降低未来二维半导体器件中的1/f噪声至关重要。
• 本研究提供了对MoS2基电子应用可靠性与性能优化至关重要的定量噪声指标。