[论文解读] P-type polar transition of chemically doped multilayer MoS2 transistor

Xiaochi Liu, Deshun Qu+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2015

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

本研究通过化学掺杂实现高性能p型多层MoS2场效应晶体管（PFET），在室温下实现开关比10⁷和空穴迁移率72 cm²/V·s，133 K时进一步提升至10⁹和132 cm²/V·s。研究识别出界面电阻（Rc）和沟道电阻率（Rs）是p型行为的主要障碍，并确立了通过高功函数金属接触降低Rc以及对沟道进行p型掺杂，是实现n型到p型运行极性转换的关键。

ABSTRACT

The accessibility of both n-type and p-type MoS2 FET is necessary for complementary device applications involving MoS2. However, MoS2 PFET is rarely achieved due to pinning effect resulting high Rc at metal-MoS2 interface and the inherently strong n-type property of the MoS2 material. In this study, we realized a high-performance multi-layer MoS2 PFET via controllable chemical doping, which has an excellent on/off ratio of 107 and a maximum hole mobility of 72 cm2/Vs at room temperature, and these values are further exceeding to 109 and 132 cm2/Vs at 133K. In addition, we revealed that large Rc hindered the polar transition of MoS2 FET from n-type to p-type, meanwhile channel Rs limited Ion of PFET. Therefore it is suggested that reducing Rc at high work function metal-MoS2 interface and p-type doping of channel were necessary for achieving high performance MoS2 PFET. Based on the high performance PFET, we successfully demonstrated a MoS2 CMOS inverter by integrating NFET and PFET.

研究动机与目标

• 克服MoS2固有的n型特性，实现互补逻辑应用所需的p型操作。
• 解决金属-MoS2界面处的能带钉扎效应，该效应限制了p型性能。
• 识别并缓解阻碍极性转换的主要电阻障碍——接触处的Rc和沟道中的Rs。
• 通过集成NFET和PFET，展示基于MoS2的CMOS反相器功能。
• 通过受控化学掺杂和界面工程，建立高性能p型MoS2晶体管的设计原则。

提出的方法

• 使用p型掺杂剂对多层MoS2沟道进行化学掺杂，以诱导空穴导电。
• 采用高功函数金属（如Pd、Pt）形成肖特基接触，以降低接触电阻（Rc）。
• 系统测量转移特性和输出特性，以提取迁移率、开关比和接触电阻。
• 在低温（133 K）下进行电学表征，以增强载流子迁移率并抑制散射。
• 将n型和p型FET集成至CMOS反相器中，以验证互补功能。
• 利用转移长度法（TLM）和场效应模型拟合分析Rc和Rs的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 阻碍MoS2 FET实现p型操作的主要电阻障碍是什么？
• RQ2 化学p型掺杂在多层MoS2中如何影响从n型到p型行为的极性转换？
• RQ3 在多大程度上可降低接触电阻（Rc）和沟道电阻率（Rs），以实现高性能PFET？
• RQ4 能否通过化学掺杂的PFET与NFET实现功能性的MoS2 CMOS反相器？
• RQ5 温度在提升掺杂MoS2晶体管中空穴迁移率和开关比方面起到何种作用？

主要发现

• 在室温下，成功实现开关比10⁷、空穴迁移率为72 cm²/V·s的p型MoS2 FET。
• 在133 K时，开关比提升至10⁹，空穴迁移率达132 cm²/V·s，表明散射减少，载流子输运增强。
• 在金属-MoS2界面处的高接触电阻（Rc）被确定为极性转换的主要障碍，而非本征材料特性。
• 沟道电阻率（Rs）被发现限制了p型操作中的导通电流（Ion），凸显有效p型掺杂的必要性。
• 研究证实，通过高功函数接触降低Rc并优化p型掺杂，对实现高性能PFET至关重要。
• 通过将化学掺杂的PFET与NFET集成，成功演示了功能性的MoS2 CMOS反相器，验证了互补逻辑的可行性。