[論文レビュー] Tunable Doping and Mobility Enhancement in 2D Channel Field-Effect Transistors via Damage-Free Atomic Layer Deposition of AlOX Dielectrics

Ardeshir Esteki, Sarah Riazimehr+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Semiconductor materials and devices被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、2次元材料における非化学计量なAlOX誘電体のダメージフリーなプラズマ増強原子層堆積（PEALD）プロセスを提案し、グラフェンおよびMoS2のフィールド効果トランジスタにおけるドーピングのチューニング可能性とキャリア移動度の向上を実現した。誘電体厚さの精密制御により、ドーピングレベルを系統的に調整可能であり、AlOX/Al2O3積層構造を用いたトップゲート型MoS2 FETでは、記録的な破壊電界強度7 MV/cmを達成した。

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.

研究の動機と目的

• グラフェンやMoS2などの2次元材料に高κ誘電体を堆積させる過程で生じるプラズマ誘発ダメージの課題を克服すること。
• 外部キャピング層を用いずに、誘電体厚さのチューニングによる2次元チャネル材料のスケーラブルかつ制御可能なドーピングを可能にすること。
• 高誘電体品質と低リーク率を維持したまま、2次元FETにおけるキャリア移動度の向上を実現すること。
• 二重積層誘電体（AlOX + Al2O3）を用いたトップゲート構造が、より高い破壊強度と性能を実現可能であることを示すこと。
• 今後の2次元材料ベースの電子回路における異種統合に適合する、量産可能な低ダメージソリューションを提供すること。

提案手法

• 反応性種子によるダメージを最小限に抑えるために、N2プラズマを用いたプラズマ増強原子層堆積（PEALD）を用い、2次元材料上に非化学计量なAlOX誘電体を堆積した。
• 誘電体厚さの制御により、グラフェンおよびMoS2のドーピングレベルを系統的に調整し、ドーピングの制御可能なドーピングレベルの調整を可能にした。
• ダメージの検出不能性を確認するとともに、非化学计量組成（約30% Al、約59% O、約7% C、約4% N）を分析するために、ラマン分光法およびXPSを用いた。
• 元素分布（C、N、O）のマッピングをEFTEMを用いて行い、厚さが均一でコンフォーマルな誘電体層であることを確認した。
• 接触抵抗を補正するために、内側接触電圧差（Vdiff）を用いた4端子ホールバー測定を実施し、移動度を抽出した。
• 可変バックゲート電圧を用いたデュアルゲート構造を採用し、容量比を抽出して、AlOX/Al2O3積層構造の有効誘電率（κ）を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンやMoS2などの2次元材料にダメージを及えないAlOX誘電体のPEALDプロセスを開発可能か？
• RQ2 誘電体厚さを用いて、2次元FETにおけるディラック電圧およびしきい値電圧をどの程度までチューニング可能か？
• RQ3 AlOX誘電体堆積プロセスが、グラフェンおよびMoS2トランジスタにおけるキャリア移動度を向上させるか？
• RQ4 トップゲート型FETにおける二重積層誘電体（AlOX + Al2O3）は、バックゲート構造よりも高い破壊電界強度を達成可能か？
• RQ5 本手法はスケーラブルであり、将来の2次元材料ベースの電子回路における異種統合に適合可能か？

主な発見

• ラマン分光法により、グラフェンのDピークの増加が確認されず、MoS2のピークシフトも認められず、ダメージの検出不能性が確認された。
• バックゲート型グラフェンFETのディラック電圧は、AlOX厚さの変更により±10 Vの範囲でチューニング可能であり、ドーピングの制御が可能であることを示した。
• MoS2 FETのしきい値電圧は、誘電体厚さの変更により系統的にチューニング可能であり、電気的特性に顕著な劣化は認められなかった。
• AlOX堆積後、グラフェンおよびMoS2 FETのキャリア移動度が向上したため、誘電体-チャネル界面の品質向上が示唆された。
• AlOX/Al2O3二重積層誘電体を用いたトップゲート型MoS2 FETは、7 MV/cmという重要な破壊電界強度を達成し、通常のバックゲート型デバイスを上回った。
• デュアルゲート測定を用いて、AlOX/Al2O3積層構造の有効誘電率を12.5と計算し、高κ性能を確認した。