[论文解读] 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 8

一句话总结

本研究证明，PEO/LiClO₄ 聚合物电解质层可显著提升单层 MoS₂ 场效应晶体管的性能，通过降低接触电阻并提高沟道迁移率，使场效应迁移率最高提升三个数量级。当用作栅极介质时，该电解质因具有强静电耦合效应，可实现接近理想的亚阈值摆幅和高开关比。

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.

研究动机与目标

• 解决在 Si/SiO₂ 基底上单层 MoS₂ 场效应晶体管中迁移率低和接触电阻高的问题。
• 通过降低金属-半导体接触处的肖特基势垒，提升器件性能。
• 探索聚合物电解质作为高效静电栅控二维半导体的有效介质。
• 在 MoS₂ 场效应晶体管中实现高开关比和接近理想的亚阈值摆幅。
• 展示一种可扩展、溶液法制备的提升二维半导体器件性能的方法。

提出的方法

• 将聚(乙烯氧化物) (PEO) 掺杂锂高氯酸盐 (LiClO₄) 的薄层通过旋涂工艺沉积在单层 MoS₂ 场效应晶体管上。
• PEO/LiClO₄ 层发挥双重作用：降低金属-MoS₂ 界面处的接触电阻，并作为高 κ 介质实现静电栅控。
• 通过离子迁移和界面处费米能级钉扎效应的缓解，降低接触电阻。
• 在不同栅压下，通过标准晶体管表征测量场效应迁移率和亚阈值摆幅。
• 由于高电容和离子诱导的电荷积累，该聚合物电解质实现了强栅-沟道耦合。
• 器件在 Si/SiO₂ 基底上制备，采用 Ti/Au 电极，并在环境条件下进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 聚合物电解质层能否有效降低单层 MoS₂ 场效应晶体管的接触电阻？
• RQ2 PEO/LiClO₄ 电解质在多大程度上可提升单层 MoS₂ 的场效应迁移率？
• RQ3 该聚合物电解质在亚阈值摆幅和开关比方面作为栅极介质的性能如何？
• RQ4 所观察到的迁移率提升和接触电阻降低背后的机理是什么？
• RQ5 该电解质层能否在无需高电压操作的情况下实现高效静电栅控？

主要发现

• PEO/LiClO₄ 层显著降低了接触电阻，导致场效应迁移率提高了三个数量级。
• 场效应迁移率最高达到 100 cm²/V·s，远高于未处理 MoS₂ 器件的低迁移率水平。
• 亚阈值摆幅接近理想值 60 mV/decade，表明具有高质量的静电控制能力。
• 实现了 10⁶ 的开关比，证明了优异的开关特性。
• 由于强栅-沟道耦合和高电容，该聚合物电解质实现了高效的栅控。
• 性能提升归因于接触势垒的降低以及离子迁移带来的有效介质屏蔽作用。