Electrical transport in atomically thin MoS2 layers

Abstract

Molybdändisulfid (MoS2) ist ein natürlich vorkommender Kristall (Molybdänit), welcher aus einzelnen Schichten aufgebaut ist, die jeweils nur drei Atomlagen dick sind. Diese Schichten werden von schwachen van der Waals Kräften zusammengehalten und können, weil die Bindung zwischen den Atomen innerhalb der Schicht stark ist, einfach voneinander getrennt werden.<br />In dieser Arbeit wurden MoS2 Monolagen hergestellt und optisch und elektrisch charakterisiert. Eine MoS2 Monolage besteht aus einer Schicht von Schwefel-Atomen die zwischen zwei Schichten von Molybdän-Atomen gepackt ist. Die physikalischen Eigenschaften der Monolagen unterscheiden sich teilweise von denen des Kristalls, es ändert sich zum Beispiel die Bandstruktur. MoS2 in kristalliner Form ist ein indirekter Halbleiter mit einer Bandlücke von 1.2 eV, eine Monolage jedoch ist ein direkter Halbleiter mit einer Bandlücke von 1.85 eV. Um einzelne Monolagen vom Kristall zu trennen und diese auf ein Substrat zu transferieren wurden Methoden, welche aus der Graphen-Forschung bekannt sind, verwendet und erweitert. Als Substrat dienten Silizium Wafer mit einer Schicht Siliziumdioxid (SiO2) an der Oberfläche. Diese Schicht SiO2 erhöht den optischen Kontrast und erleichtert die Suche nach Monolagen. Die MoS2-Monolagen wurden anschließend durch AFM (Atomkraftmikroskopie), Photolumineszenz und Raman-Spektroskopie charakterisiert, um Monolagen von ultra-dünnen Flocken, welche aus mehreren Lagen bestehen, zu unterscheiden.<br />Um die MoS2 Schichten elektrisch zu charakterisieren wurden Transistoren gefertigt, indem Metallkontakte auf diese aufgebracht wurden. Für die ersten Messungen wurden die Transistoren in einer Back-Gate Konfiguration betrieben, sodass die SiO2 Schicht des Wafers als Gate-Dielektrikum diente. Später wurde Zirkondioxid (ZrO2) als Dielektrikum auf die Transistoren aufgebracht, ein Top-Gate-Kontakt gefertigt und die Messungen wiederholt. Die Messdaten zeigten typische Kurven von n-Typ Feldeffekttransistoren mit einer geringen Mobilität von etwa 1-5 cm2/Vs, welche durch den Einsatz von ZrO2 auf bis zu 100 cm2/Vs gesteigert werden konnte. Dieser Wert bedeutet einen Anstieg der Mobilität um einen Faktor von 20, welcher durch geeignete Ausheil-Methoden der Metallkontakte noch weiter gesteigert werden kann.<br />

Molybdenum disulfide (MoS2) is an indirect semiconductor that occurs naturally in crystalline form. The crystal is composed of layers, which are three atoms thick, and held together by weak van der Waals forces. The atomic bonds inside each layer are strong and therefore single layers can be easily separated from the crystal by mechanical exfoliation.<br />Monolayer MoS2 transistors were fabricated and characterized electrically and optically. A monolayer of MoS2 consists of one atomic plane of molybdenum, which is sandwiched between two atomic planes of sulfur. Monolayers have completely different properties than the bulk crystal. The band structure changes significantly from an indirect band gap of 1.2 eV for the bulk to a direct band gap of 1.85 eV for the monolayer. A suitable cleaving method was applied to transfer ultra-thin MoS2 flakes to a silicon wafer. On top of the silicon, a layer of silicon dioxide was used to enhance the optical contrast and localize the MoS2 flakes by optical microscopy. The films were analyzed by atomic force microscopy, photoluminescence, and Raman spectroscopy to distinguish monolayers from few-layer samples. Raman spectroscopy was found to be a quantitative and reliable tool to perform diagnosis of the layer thickness of thin MoS2 flakes.<br />For electrical measurements, transistors were fabricated by evaporating drain and source metal contacts. First, the transistors were operated in a back gate configuration, mean- ing that the wafer and the SiO2 were used as electrode and gate dielectric, respectively. Measurements of the drain-source current showed typical n-type field effect transistor behavior with a rather low mobility in the range of 1-5 cm2/Vs. After deposition of ZrO2 and fabrication of top gated transistors, the measurements were repeated, showing improvements in terms of carrier mobility. The dielectric environment has a profound effect on the performance of the transistors because the Coulomb interaction within the film is dominated by the dielectric constant of the environment.<br />This means, that a high-k dielectric material can influence the carrier mobility in a positive way. Devices with mobilities of up to 100 cm2/Vs were fabricated, meaning an improvement of the maximum current by a factor of 20. An optimized annealing process to reduce the contact resistance further increases this value.