[论文解读] Thermally Oxidized Two-dimensional TaS2 as a High-\k{appa} Gate Dielectric for MoS2 Field-Effect Transistors

Bhim Chamlagain, Qingsong Cui+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2018

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

本研究展示了一种新颖方法，通过热氧化二维TaS2纳米片制备高介电常数（κ ≈ 15.5）的Ta2O5电介质，该电介质随后被用作MoS2场效应晶体管的栅极电介质。该方法制备的顶栅结构FET具有61 mV/dec的亚阈值摆幅、接近10⁶的开/关比，以及超过60 cm²V⁻¹s⁻¹的迁移率，表明电介质质量高且界面陷阱密度低。

ABSTRACT

We report a new approach to integrating high-\k{appa} dielectrics in both bottom- and top-gated MoS2 field-effect transistors (FETs) through thermal oxidation and mechanical assembly of layered twodimensional (2D) TaS2. Combined X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), optical microscopy, atomic force microscopy (AFM), and capacitance-voltage (C-V) measurements confirm that multilayer TaS2 flakes can be uniformly transformed to Ta2O5 with a high dielectric constant of ~ 15.5 via thermal oxidation, while preserving the geometry and ultra-smooth surfaces of 2D TMDs. Top-gated MoS2 FETs fabricated using the thermally oxidized Ta2O5 as gate dielectric demonstrate a high current on/off ratio approaching 106, a subthreshold swing (SS) down to 61 mV/dec, and a field-effect mobility exceeding 60 cm2V-1 s-1 at room temperature, indicating high dielectric quality and low interface trap density.

研究动机与目标

• 开发一种与二维过渡金属二硫属化物（TMDs）如MoS2相容的高介电常数电介质，用于高性能场效应晶体管。
• 解决在2D材料中集成电介质时面临的挑战，如界面陷阱和表面粗糙度。
• 通过单一电介质集成方法，实现底栅和顶栅结构的MoS2 FET。
• 在保持2D材料超光滑、原子级薄几何结构的同时，实现高介电常数（κ）。

提出的方法

• 对机械剥离的多层TaS2纳米片进行热氧化，将其转化为具有受控厚度和均匀性的Ta2O5。
• 利用X射线光电子能谱（XPS）确认TaS2向Ta2O5的化学相变。
• 采用原子力显微镜（AFM）和光学显微镜验证氧化后表面形貌和厚度的保持性。
• 使用热氧化后的Ta2O5作为栅极电介质，制备底栅和顶栅结构的MoS2 FET。
• 通过电容-电压（C-V）特性测量确定介电常数和界面陷阱密度。
• 通过亚阈值摆幅、开/关比和场效应迁移率等参数评估所制备FET的电学性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 热氧化二维TaS2是否能生成保持2D形貌和超光滑表面的高κ电介质？
• RQ2 由二维TaS2热氧化得到的Ta2O5的介电常数是多少？与传统电介质相比如何？
• RQ3 MoS2与热氧化Ta2O5之间的界面质量如何影响晶体管性能指标，如亚阈值摆幅和开/关比？
• RQ4 该电介质集成工艺是否可同时应用于底栅和顶栅结构的MoS2 FET？
• RQ5 使用该新型电介质的MoS2 FET可实现的场效应迁移率是多少？

主要发现

• 多层TaS2纳米片的热氧化过程均匀地将其转化为介电常数约为15.5的Ta2O5。
• 氧化过程保持了原始TaS2纳米片的超光滑表面和二维几何结构，经AFM和光学显微镜确认。
• 采用氧化Ta2O5作为电介质的顶栅MoS2 FET实现了最低达61 mV/dec的亚阈值摆幅，表明界面陷阱密度低。
• 器件表现出接近10⁶的电流开/关比，显示出优异的开关特性。
• 室温下场效应迁移率超过60 cm²V⁻¹s⁻¹，表明载流子输运性能优异。
• 高κ值、低界面陷阱密度以及优异的形貌保持性相结合，证实该电介质在2D FET应用中具有优异品质。