[論文レビュー] MoS2 Field-effect Transistors with Graphene/Metal Heterocontacts

Yuchen Du, Lingming Yang+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2014

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、グラフェン/Tiヘテロ接合を用いたn型数層MoS2フィールド効果トランジスタを実装し、1 µmゲート長で160 mA/mmを超える記録的なドレイン電流と10⁷のオンオフ比を達成した。グラフェン中間層により接触抵抗が3.3倍低減され、オン抵抗が2.1倍改善され、トランジスタ性能が向上したことが確認された。これは、移動長およびI-V法を用いたエンジニアリングされたショットキー接合によるものである。

ABSTRACT

For the first time, n-type few-layer MoS2 field-effect transistors with graphene/Ti as the hetero-contacts have been fabricated, showing more than 160 mA/mm drain current at 1 μm gate length with an on-off current ratio of 107. The enhanced electrical characteristic is confirmed in a nearly 2.1 times improvement in on-resistance and a 3.3 times improvement in contact resistance with hetero-contacts compared to the MoS2 FETs without graphene contact layer. Temperature dependent study on MoS2/graphene hetero-contacts has been also performed, still unveiling its Schottky contact nature. Transfer length method and a devised I-V method have been introduced to study the contact resistance and Schottky barrier height in MoS2/graphene /metal hetero-contacts structure.

研究の動機と目的

• n型数層MoS2フィールド効果トランジスタにおける高い接触抵抗を克服するため、グラフェン中間層を導入すること。
• 数層MoS2 FETにおけるグラフェン/金属ヘテロ接合を用いてデバイス性能を向上させること。
• 温度依存測定を用いて、MoS2/グラフェン/Ti界面におけるショットキー接合の挙動を特徴付けること。
• 移動長法および独自のI-V法を用いて、接触抵抗およびショットキー準位障壁高さを定量すること。
• ナノエレクトロニクス用途に向けたスケーラブルで高性能なn型MoS2トランジスタを実証すること。

提案手法

• ソースおよびドレイン電極としてグラフェン/Tiヘテロ接合を有するn型数層MoS2 FETをプロセスした。
• MoS2/グラフェン界面におけるショットキー接合の性質を分析するために、温度依存電気的測定を実施した。
• MoS2/グラフェン/金属構造における接触抵抗を抽出するために、移動長法（TLM）を適用した。
• 独自のI-V法を考案し、ショットキー準位障壁高さおよび接触抵抗を独立して決定した。
• さまざまなゲート電圧下でのドレイン電流およびオンオフ比を測定し、デバイス性能を評価した。
• 高電流能力およびスケーラビリティを評価するために、1 µmのゲート長を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン/金属ヘテロ接合は、MoS2 FETにおける接触抵抗を顕著に低減できるか？
• RQ2 MoS2/グラフェン/Ti界面におけるショットキー準位障壁高さおよび接触挙動は何か？
• RQ3 グラフェン中間層は、オン抵抗および全体的なデバイス性能をどのように向上させるか？
• RQ4 移動長法および独自のI-V法は、ヘテロ構造を有するMoS2デバイスにおける接触パラメータをどれほど正確に抽出できるか？
• RQ5 グラフェンベースの接合を有するn型MoS2 FETで、高ドレイン電流およびオンオフ比を達成できるか？

主な発見

• グラフェン/Tiヘテロ接合を有するMoS2 FETは、1 µmゲート長で160 mA/mmを超えるドレイン電流を達成した。
• オンオフ電流比10⁷が達成され、強力なゲート制御および低オフ状態漏れ電流を確認した。
• グラフェン層を有しないMoS2 FETと比較して、接触抵抗が3.3倍低減された。
• グラフェン中間層のおかげで、オン抵抗が約2.1倍改善された。
• 温度依存測定により、MoS2/グラフェン界面のショットキー接合の性質が確認された。
• 移動長法および開発されたI-V法は、ヘテロ構造における接触抵抗およびショットキー準位障壁高さを成功裏に定量した。