[論文レビュー] Mobility Improvement and Temperature Dependence in MoSe2 Field-Effect Transistors on Parylene-C Substrate

Bhim Chamlagain, Qing Li+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2014

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ひとこと要約

本研究では、ポリパラキレン-C基板上に作製されたMoSe2フィールド効果トランジスタが、室温でSiO2基板上に作製された場合と比較して顕著に高い移動度（約100–160 cm²V⁻¹s⁻¹）を示すことを示している。一方、SiO2基板上では約50 cm²V⁻¹s⁻¹にとどまる。100 Kで移動度は約500 cm²V⁻¹s⁻¹にまで上昇する。この向上は、表面極性フォノン散乱がparylene-Cでは顕著に低減されていることに起因する。表面粗さはSiO2と同等であるにもかかわらず、その影響は小さい。

ABSTRACT

We report low temperature scanning tunneling microscopy characterization of MoSe2 crystals, and the fabrication and electrical characterization of MoSe2 field-effect transistors on both SiO2 and parylene-C substrates. We find that the multilayer MoSe2 devices on parylene-C show a room temperature mobility close to the mobility of bulk MoSe2 (100 cm2V-1s-1 - 160 cm2V-1s-1), which is significantly higher than that on SiO2 substrate (~50 cm2V-1s-1). The room temperature mobility on both types of substrates are nearly thickness independent. Our variable temperature transport measurements reveal a metal-insulator transition at a characteristic conductivity of e2/h. The mobility of MoSe2 devices extracted from the metallic region on both SiO2 and parylene-C increases up to ~ 500 cm2V-1s-1 as the temperature decreases to ~ 100 K, with the mobility of MoSe2 on SiO2 increasing more rapidly. In spite of the notable variation of charged impurities as indicated by the strongly sample dependent low temperature mobility, the mobility of all MoSe2 devices on SiO2 converges above 200 K, indicating that the high temperature (> 200 K) mobility in these devices is nearly independent of the charged impurities. Our atomic force microscopy study of SiO2 and parylene-C substrates further rule out the surface roughness scattering as a major cause of the substrate dependent mobility. We attribute the observed substrate dependence of MoSe2 mobility primarily to the surface polar optical phonon scattering originating from the SiO2 substrate, which is nearly absent in MoSe2 devices on parylene-C substrate.

研究の動機と目的

• MoSe2フィールド効果トランジスタにおける基板依存の移動度を調査すること。
• SiO2基板とparylene-C基板の間での移動度差の原因を理解すること。
• 多層MoSe2デバイスにおける輸送特性の温度依存性を検討すること。
• 表面粗さと極性フォノン散乱のどちらが移動度の低下を支配的に引き起こしているかを特定すること。
• 低温における移動度変動における不純物イオンの役割を明確にすること。

提案手法

• 機械的剥離法を用いて、SiO2基板およびparylene-C基板上にMoSe2フィールド効果トランジスタを形成した。
• MoSe2の結晶構造および電子的性質を特徴付けるために、低温走査トンネル顕微鏡（STS）を実施した。
• 4 Kから300 Kの範囲で変温電気的輸送測定を実施し、移動度の傾向を分析した。
• 原子間力顕微鏡（AFM）を用いて、SiO2基板とparylene-C基板の表面粗さを比較した。
• ドレーデモデルを用いて、導電度-温度曲線の金属領域から移動度を抽出した。
• 臨界導電度 e²/h における金属-絶縁体転移を分析し、輸送状態の変化を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜMoSe2はparylene-C上では室温でSiO2上よりも高い移動度を示すのか？
• RQ2 温度がMoSe2 FETの移動度にどのように影響するのか？（異なる基板上での比較）
• RQ3 不純物イオンや表面粗さがMoSe2デバイスの移動度に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 SiO2基板上での移動度劣化の主因となる散乱機構は何か？
• RQ5 MoSe2デバイスの高温移動度は、基板に起因する不純物イオンに依存するのか？

主な発見

• MoSe2 FETはparylene-C基板上では室温で100–160 cm²V⁻¹s⁻¹の移動度を達成し、SiO2基板上では約50 cm²V⁻¹s⁻¹にとどまる。
• 100 Kで両基板上とも移動度が約500 cm²V⁻¹s⁻¹に上昇するが、SiO2上では上昇が速く、温度依存性の強い散乱効果が顕著に現れている。
• 高温（200 K以上）では移動度は不純物イオンにほとんど依存せず、すべてのSiO2ベースデバイスがこの温度以上で一致する。
• 表面粗さは移動度差の主な原因ではないと判明した。AFMによる測定で両基板の粗さは同等であった。
• 基板依存の移動度は主に表面極性フォノン散乱に起因しており、SiO2上では強いがparylene-C上ではほとんど存在しない。
• 臨界導電度 e²/h における金属-絶縁体転移が観測され、系内に量子相転移が存在することを裏付けた。