[论文解读] 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

Advanced Memory and Neural Computing被引用 5

一句话总结

本研究表明，MoSe2场效应晶体管在parylene-C衬底上实现的室温迁移率显著高于在SiO2衬底上的迁移率（约100–160 cm²V⁻¹s⁻¹对比约50 cm²V⁻¹s⁻¹），在100 K时迁移率进一步提升至约500 cm²V⁻¹s⁻¹。迁移率提升归因于parylene-C中表面极性光学声子散射减少，相较于SiO2的散射效应更弱，尽管两者表面粗糙度相近。

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.

研究动机与目标

• 研究MoSe2场效应晶体管中衬底依赖的迁移率特性。
• 理解SiO2与parylene-C衬底之间迁移率差异的起源。
• 研究多层MoSe2器件中输运性质的温度依赖性。
• 确定表面粗糙度或极性光学声子散射在迁移率抑制中哪个起主导作用。
• 阐明在低温下带电杂质在迁移率变化中的作用。

提出的方法

• 利用机械剥离法在SiO2和parylene-C衬底上制备MoSe2场效应晶体管。
• 采用低温扫描隧道显微镜（STS）表征MoSe2的晶体结构与电子性质。
• 在4 K至300 K范围内进行变温电输运测量，以分析迁移率趋势。
• 利用原子力显微镜（AFM）比较SiO2与parylene-C衬底的表面粗糙度。
• 通过德鲁德模型从电导率-温度曲线的金属区域提取迁移率。
• 分析在临界电导率e²/h处的金属-绝缘体转变，以识别输运行为的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何MoSe2在parylene-C衬底上的迁移率高于在SiO2衬底上的室温迁移率？
• RQ2 温度如何影响不同衬底上MoSe2 FET的迁移率？
• RQ3 带电杂质或表面粗糙度在多大程度上影响MoSe2器件中的迁移率？
• RQ4 导致SiO2衬底上迁移率退化的主要散射机制是什么？
• RQ5 MoSe2器件在高温下的迁移率是否依赖于衬底诱导的带电杂质？

主要发现

• MoSe2 FET在parylene-C衬底上实现的室温迁移率为100–160 cm²V⁻¹s⁻¹，显著高于在SiO2衬底上观察到的约50 cm²V⁻¹s⁻¹。
• 在两种衬底上，迁移率在100 K时均提升至约500 cm²V⁻¹s⁻¹，且SiO2衬底上的上升速度更快，表明其具有更强的温度依赖性散射效应。
• 在高温（>200 K）下，迁移率几乎与带电杂质无关，所有基于SiO2的器件在此温度以上趋于一致。
• 表面粗糙度被排除为主要迁移率差异原因，因为AFM显示两种衬底的粗糙度相当。
• 衬底依赖的迁移率主要源于表面极性光学声子散射，该散射在SiO2上较强，而在parylene-C上几乎可忽略。
• 在临界电导率e²/h处观察到金属-绝缘体转变，证实了系统中存在量子相变。