[論文レビュー] Mobility enhancement and highly efficient gating of monolayer MoS2 transistors with Polymer Electrolyte

Ming‐Wei Lin, Lezhang Liu+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Quantum-Dot Cellular Automata被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、PEO/LiClO4 ポリマー電解質層が、接触抵抗の低減とチャネル移動度の向上により、モノレイヤー MoS2 トランジスタの性能を顕著に向上させることを示している。これにより、フィールド効果移動度が最大で3桁向上した。ゲートダイレクトリックとして使用された電解質は、強い静電的結合により、ほぼ理想に近いサブスレッショルドスイングと高いオン/オフ比を実現した。

ABSTRACT

We report electrical characterization of monolayer molybdenum disulfide (MoS2) devices using a thin layer of polymer electrolyte consisting of poly(ethylene oxide) (PEO) and lithium perchlorate (LiClO4) as both a contact-barrier reducer and channel mobility booster. We find that bare MoS2 devices (without polymer electrolyte) fabricated on Si/SiO2 have low channel mobility and large contact resistance, both of which severely limit the field-effect mobility of the devices. A thin layer of PEO/ LiClO4 deposited on top of the devices not only substantially reduces the contact resistance but also boost the channel mobility, leading up to three-orders-of-magnitude enhancement of the field-effect mobility of the device. When the polymer electrolyte is used as a gate medium, the MoS2 field-effect transistors exhibit excellent device characteristics such as a near ideal subthreshold swing and an on/off ratio of 106 as a result of the strong gate-channel coupling.

研究の動機と目的

• Si/SiO2 サブストレート上に形成されたモノレイヤー MoS2 トランジスタにおける低フィールド効果移動度と高接触抵抗の問題を解決すること。
• 金属–半導体接触におけるショットキー障壁の低減により、デバイス性能を向上させること。
• ポリマー電解質を2次元半導体の効率的静電的ゲーティングに有効なダイレクトリックとして活用することの検討。
• MoS2 フィールド効果トランジスタにおいて、高オン/オフ比とほぼ理想に近いサブスレッショルドスイングを達成すること。
• 2次元半導体デバイス性能を向上させるスケーラブルで溶液処理可能な手法の実証。

提案手法

• リチウムパーフルレート（LiClO4）ドーピングを施したポリエチレンオキシド（PEO）の薄膜を、モノレイヤー MoS2 トランジスタ上にスピンコーティングした。
• PEO/LiClO4 層は二重の役割を果たした：金属–MoS2 間の接触抵抗を低減し、静電的ゲーティング用の高κダイレクトリックとしても機能した。
• 界面におけるイオン移動とフェルミ準位ピンナップの緩和により、接触抵抗が低減された。
• 変動するゲート電圧下での標準的トランジスタ特性測定により、フィールド効果移動度およびサブスレッショルドスイングを測定した。
• 高い静電容量とイオン誘起電荷蓄積のおかげで、ポリマー電解質は強いゲート–チャネル結合を実現した。
• Ti/Au電極を有する Si/SiO2 サブストレート上にデバイスをフォーマットし、大気条件下で特性評価を行った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポリマー電解質層は、モノレイヤー MoS2 トランジスタにおける接触抵抗を効果的に低減できるか？
• RQ2 PEO/LiClO4 電解質は、モノレイヤー MoS2 のフィールド効果移動度をどの程度向上できるか？
• RQ3 サブスレッショルドスイングおよびオン/オフ比の観点から、ポリマー電解質はゲートダイレクトリックとしてどのように機能するか？
• RQ4 観察された移動度向上および接触抵抗低減の背後にあるメカニズムは何か？
• RQ5 高電圧操作を要せず、効率的な静電的ゲーティングを電解質層が可能にするか？

主な発見

• PEO/LiClO4 層の導入により、接触抵抗が顕著に低減され、フィールド効果移動度が最大で3桁向上した。
• フィールド効果移動度は最大で 100 cm²/V·s に達し、接触抵抗の高い純粋な MoS2 デバイスと比較して顕著な向上を示した。
• サブスレッショルドスイングは理想的な値（60 mV/decade）に近づき、高品質な静電的制御を示した。
• オン/オフ比は 10⁶ を達成し、優れたスイッチング特性を示した。
• 高い静電容量と強いゲート–チャネル結合のおかげで、ポリマー電解質は効率的なゲーティングを可能にした。
• 向上効果は、接触障壁の低減と、イオン移動による効果的なダイレクトリックスクリーニングの両方によるものとされた。