[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究展示了采用石墨烯/Ti异质接触的少层n型MoS2场效应晶体管，实现了1 µm栅长下超过160 mA/mm的记录漏电流以及10⁷的开关比。石墨烯插入层使接触电阻降低3.3倍，开启电阻提高2.1倍，证实通过传输长度法和I-V方法工程化肖特基接触可显著提升器件性能。

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.

研究动机与目标

• 通过引入石墨烯插入层，解决MoS2场效应晶体管中高接触电阻的问题。
• 通过少层MoS2 FET中的石墨烯/金属异质接触提升器件性能。
• 利用温度依赖性测量表征MoS2/石墨烯/Ti界面处的肖特基接触行为。
• 利用传输长度法和自定义I-V方法量化接触电阻和肖特基势垒高度。
• 展示可扩展的、高性能的n型MoS2晶体管，适用于纳米电子学。

提出的方法

• 制备了采用石墨烯/Ti异质接触作为源极和漏极电极的n型少层MoS2 FET。
• 采用温度依赖性电学测量分析MoS2/石墨烯界面处的肖特基接触特性。
• 应用传输长度法（TLM）提取MoS2/石墨烯/金属结构中的接触电阻。
• 开发了一种新型I-V方法，独立测定肖特基势垒高度和接触电阻。
• 在不同栅压下测量漏电流和开关比，以评估器件性能。
• 采用1 µm栅长评估器件的高电流能力与可扩展性。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯/金属异质接触是否能显著降低MoS2 FET中的接触电阻？
• RQ2 MoS2/石墨烯/Ti界面处的肖特基势垒高度和接触行为如何？
• RQ3 石墨烯插入层如何改善开启电阻和整体器件性能？
• RQ4 传输长度法与自定义I-V方法在异质结构MoS2器件中提取接触参数的准确性如何？
• RQ5 采用石墨烯基接触的n型MoS2 FET能否实现高漏电流和高开关比？

主要发现

• 采用石墨烯/Ti异质接触的MoS2 FET在1 µm栅长下实现了超过160 mA/mm的漏电流。
• 实现了10⁷的开关电流比，证实具有优异的栅控能力与低关态漏电流。
• 与未使用石墨烯层的MoS2 FET相比，接触电阻降低了3.3倍。
• 由于石墨烯插入层的存在，开启电阻提高了近2.1倍。
• 温度依赖性测量证实了MoS2/石墨烯界面具有肖特基接触特性。
• 传输长度法与所设计的I-V方法成功量化了异质结构中的接触电阻和肖特基势垒高度。