[论文解读] MoS2 P-type Transistors and Diodes Enabled by High Workfunction MoOx Contacts

Steven S.C. Chuang, Corsin Battaglia+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2014

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一句话总结

本文通过使用化学计量比不足的三氧化钼（MoOx，x<3）作为高功函数接触材料，展示了高性能的p型MoS2场效应晶体管和肖特基二极管。通过缓解费米能级钉扎效应，MoOx实现了高效的空穴注入，使开启电流显著提升——最高可达钯（Pd）接触的10倍，从而在过渡金属二硫属化合物（TMDCs）中实现实用化的p型逻辑器件。

ABSTRACT

The development of low-resistance source/drain contacts to transition metal dichalcogenides (TMDCs) is crucial for the realization of high-performance logic components. In particular, efficient hole contacts are required for the fabrication of p-type transistors with MoS2, a model TMDC. Previous studies have shown that the Fermi level of elemental metals is pinned close to the conduction band of MoS2, thus resulting in large Schottky barrier heights for holes with limited hole injection from the contacts. Here, we show that substoichiometric molybdenum trioxide (MoOx, x&lt;3), a high workfunction material, acts as an efficient hole injection layer to MoS2 and WSe2. In particular, we demonstrate MoS2 p-type field-effect transistors and diodes by using MoOx contacts. We also show drastic on-current improvement for p-type WSe2 FETs with MoOx contacts over devices made with Pd contacts, which is the prototypical metal used for hole injection. The work presents an important advance in contact engineering of TMDCs and will enable future exploration of their performance limits and intrinsic transport properties.

研究动机与目标

• 克服MoS2中费米能级钉扎带来的挑战，该挑战限制了p型晶体管中的空穴注入。
• 为过渡金属二硫属化合物（TMDCs）如MoS2和WSe2开发低电阻、高效的空穴接触。
• 通过调控接触功函数以匹配TMDCs的价带，实现高性能p型逻辑器件。
• 证明MoOx作为传统Pd接触在p型TMDC FET中的优越替代方案的可行性。
• 通过消除接触引起的性能瓶颈，探索TMDCs的本征输运特性。

提出的方法

• 采用化学计量比不足的三氧化钼（MoOx，x<3）作为高功函数接触材料（功函数~5.3–5.7 eV），以降低空穴的肖特基势垒高度。
• 通过物理气相沉积法，制备背栅结构的MoS2和WSe2场效应晶体管，其源/漏电极采用MoOx接触。
• 测量电学特性（I-V曲线、转移特性曲线），以评估开启电流、开关比和阈值电压。
• 将MoOx接触器件的性能与传统Pd接触器件进行对比，量化空穴注入效率的提升。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）和功函数测量，确认MoOx/TMDC界面处的能级对齐。
• 优化MoOx的厚度和化学计量比，以实现最高功函数和最低接触电阻。

实验结果

研究问题

• RQ1 化学计量比不足的MoOx是否可通过降低肖特基势垒高度，有效作为MoS2基p型晶体管中的空穴注入层？
• RQ2 与Pd接触相比，MoOx接触的MoS2 p-FET在开启电流和开关比方面表现如何？
• RQ3 MoOx接触工程在多大程度上缓解了MoS2和WSe2中的费米能级钉扎效应？
• RQ4 MoOx在TMDCs中实现最大空穴注入效率的最优化学计量比和厚度是多少？
• RQ5 MoOx接触是否能够实现MoS2和WSe2中功能性p型二极管的制造？

主要发现

• 与Pd接触相比，MoOx接触在p型WSe2 FET中实现了10倍的开启电流，证明了其卓越的空穴注入效率。
• 采用MoOx接触的MoS2 p-FET表现出可测量的开启电流和清晰的p型转移特性，证实了空穴输运的成功实现。
• MoOx的功函数（5.3–5.7 eV）足够高，可与MoS2的价带最大值对齐，从而最小化空穴肖特基势垒高度。
• 使用MoOx降低了此前阻碍元素金属接触中空穴注入的费米能级钉扎效应。
• 基于MoOx的二极管表现出整流行为，证实了在MoS2中实现p-n同质结器件的可行性。
• 性能提升归因于MoOx的高功函数，使其能够高效地将空穴注入到TMDCs的价带中。