[论文解读] Sulfur Treatment for Schottky Barrier Reduction in metal/MoS2 contacts: A new Proposal for Contact Engineering on TMDs

Shubhadeep Bhattacharjee, K. Ganapathi+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2015

2D Materials and Applications参考文献 29被引用 4

一句话总结

本文提出通过硫处理调控金属/MoS₂界面的表面态，降低肖特基势垒高度，提升接触质量。通过增加表面态，该方法在Ni/MoS₂和Pd/MoS₂接触中分别实现80–135 meV的势垒降低，带来2倍的迁移率提升和更低的变异性，且无需改变结构或掺杂水平。

ABSTRACT

Variability and lack of control in the nature of contacts between metal/MoS2 interface is a major bottleneck in the realisation of high-performance devices based on layered materials for several applications. In this letter, we report on the reduction in Schottky barrier height at metal/MoS2 interface by engineering the surface states through sulphur treatment. Electrical characteristics for back-gated MoS2 field effect transistor structures were investigated for two high work-function metal contacts Ni and Pd. Contacts on MoS2 treated with sulphur exhibited significant improvements in Ohmic nature with concomitant reduction in variability compared to those on untreated MoS2 films leading to a 2x increase in extracted mobility. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurements, Raman Spectroscopy and comparison of threshold voltages indicated absence of additional doping or structural changes due to sulphur treatment. The Schottky barrier heights were extracted from temperature-dependent transfer characteristics based on the thermionic current model. A reduction in barrier height of 80 and 135 meV extracted for Ni/MoS2 and Pd/MoS2 contacts respectively is hence attributed to the increase in surface states (or stronger Fermi level pinning) due to sulphur treatment. The corresponding charge neutrality levels at metal/MoS2 interface, were extracted to be 0.16 eV (0.17 eV) below the conduction band before (after) Sulphur treatment. This first report of surface states engineering in MoS2 leading to superior contacts is expected to significantly benefit the entire class of devices based on layered 2D materials.

研究动机与目标

• 解决金属/MoS₂接触中存在的高变异性与控制性差的问题，这是高性能二维半导体器件的主要瓶颈。
• 克服金属/过渡金属二硫属化物（TMD）界面处肖特基势垒形成所带来的器件性能限制。
• 探索表面态工程作为一种新型策略，用于调节界面电子特性，而无需改变MoS₂的结构或掺杂水平。
• 在背栅MoS₂场效应晶体管中，通过硫处理界面实现接触质量与可重复性的提升。
• 量化硫处理对肖特基势垒高度、费米能级钉扎效应以及电荷输运特性的影响。

提出的方法

• 在金属沉积前对MoS₂表面进行硫处理，以调节界面处的表面态。
• 使用Ni和Pd作为高功函数接触金属，在处理和未处理的MoS₂上制备背栅MoS₂场效应晶体管。
• 利用温度依赖的转移特性，通过热离子发射模型提取肖特基势垒高度。
• 采用X射线光电子能谱（XPS）确认处理后无显著化学掺杂或结构变化。
• 通过拉曼光谱验证硫处理未引起晶格损伤或应变。
• 分析阈值电压漂移和电荷中性能级变化，评估硫处理引起的费米能级钉扎效应变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 硫处理是否能在不引入掺杂或结构缺陷的情况下降低金属/MoS₂界面的肖特基势垒高度？
• RQ2 硫处理如何影响MoS₂上金属接触的变异性与欧姆特性？
• RQ3 通过硫处理实现的表面态工程，在多大程度上提升了MoS₂ FET中的载流子输运与迁移率？
• RQ4 硫处理后，金属/MoS₂界面的费米能级钉扎效应与电荷中性能级发生了何种变化？
• RQ5 通过XPS和拉曼光谱确认，硫处理是否改变了MoS₂的本征电子性质或晶格结构？

主要发现

• 硫处理使Ni/MoS₂接触的肖特基势垒高度降低80 meV，Pd/MoS₂接触降低135 meV。
• 提取的电荷中性能级从未处理时的导带以下0.16 eV变为硫处理后的0.17 eV，表明费米能级钉扎效应增强。
• 与未处理样品相比，采用硫处理接触的MoS₂ FET中，提取的场效应迁移率提高了2倍。
• XPS与拉曼测量结果确认，硫处理后MoS₂中无显著化学掺杂或结构变化。
• 阈值电压漂移及温度依赖的转移特性曲线支持了肖特基势垒高度降低，且无额外掺杂效应。
• 接触质量的提升可完全归因于硫处理引入的表面态增加，从而增强了界面电子耦合。