Atomically thin transistors

Abstract

WSe2 und MoS2 gehören zur Gruppe der Übergangsmetal-Dichalcogenide. Diese in der Natur in kristalliner Form vorkommenden Verbindungen bestehen aus übereinander gestapelten Einzellagen. Sie können mit der Scotch Tape Methode mechanisch exfoliert werden, weil zwischen den Lagen nur schwache Kräfte wirken, jedoch innerhalb einer Atomlage kovalente Bindungen, sogenannte van der Waals Kräfte, für eine starke Bindung sorgen. WSe2 und MoS2 haben Bandlücken im Bereich von 2.0 eV und 1.9 eV, was sie zu einer guten Ergänzung für Graphen, das meist verbreitete 2-D Material, macht, dem diese Bandlücke fehlt. Weil die Bandlücke ein entscheidendes Element für das Schalten von elektronischen Bauteilen in der Halbleiterschaltungstechnik ist, begannen Wissenschaftler, elektronische Bauteile wie Transistoren aus diesen Übergangsmetal-Dichalcogeniden zu bauen. Ein sehr limitierender Faktor in der Nanoelektronik ist der Kontaktwiderstand der verwendeten Bauelemente. Ein umfassendes Verständnis des Kontaktes zwischen einem Metall und einem 2-D Kristall ist deshalb entscheidend, um die auf diesem Material basierende Elektronik zu verbessern und sie als zukünftige Halbleitertechnologie zu verwenden. Folglich wurden im Rahmen dieser Masterarbeit WSe2 sowie MoS2 Transistoren hergestellt und elektrisch vermessen. Die Dicke der Dünnschichten, welche als Transistorkanal verwendet wurden, wurde mittels Raman und Photolumineszenz bestimmt. Die Resultate dieser Messungen lassen darauf schließen, dass es sich bei dem Kanal in Transistor P1 um ein dickes Stück WSe2 handelt, während der Kanal in Transistor P2 aus einer Einzellage dieses Materials besteht. Außerdem wurden temperaturabhängige Messungen vorgenommen, mit deren Hilfe die Schottky Barrieren Höhen abgeleitet wurden. Diese ergaben sich zu 0.12 eV und 0.0445 eV im Falle von Transistor P1 und P2, was mit den in der Fachliteratur angeführten Ergebnissen übereinstimmt. Die auf MoS2 aufgebauten Transistoren wurden mit MoOx, einem neuartigen Material, kontaktiert. Die Transistoren zeigten n-Typ Transistorverhalten. Die Ausgangskennlinie lässt auf ohmsche Kontakte schließen, mit maximalen Strömen von 258 nA.

WSe2 and MoS2 belong to the family of transition metal dichalcogenides (TMDCs). These materials can be reduced to one single layer by the so-called Scotch tape technique. This mechanical exfoliation procedure is possible because TMDC crystals consist of a stack of layers. While the interlayer bonds are strong, the van der Waals forces that hold together the layers forming the bulk crystal are weak. WSe2 and MoS2 have band gaps in the 2.0 eV and 1.9 eV range, which makes them a suitable complement to graphene, the most common 2-D material, which lacks this band gap. As the band gap is a crucial property for switching in semiconductor circuitry, scientists find these TMDCs very attractive for building such electronic devices as transistors. A very limiting factor in the performance of nano-structured devices is their contact resistance. A comprehensive understanding of metal 2-D crystal interfaces, which primarily determine the contact resistance, is essential for improving 2-D crystal-based electronics and using them as next-generation semiconductor technology. For this reason, WSe2 as well as MoS2-based transistors were fabricated and electrically measured within the framework of this master thesis. Raman and photoluminescence spectroscopy were used to determine the thickness of the TMDC flakes that served as transistor channel. The results of these measurements suggest that transistor P1 has a bulk piece of WSe2 as channel, while the channel of transistor P2 is a monolayer of the same material. In addition, Schottky barrier heights were extracted from temperature-dependent measurements. They were 0.12 eV and 0.0445 eV, respectively, for transistors P1 and P2, which is fully in line with results reported in the pertinent literature. The MoS2-based transistors were contacted with MoOx, a novel contact material. The transistors showed n-type transistor behaviour. The characteristic output curve of such transistors suggests ohmic contacts resulting in maximum currents of 258 nA.