Transistors based on atomically thin transition metal dichalcogenides

Abstract

Wolframdisulfid (WS2) und Molybdändiselenid (MoSe2) Kristalle sind indirekte Halbleiter und gehören zu der Familie der Übergangsmetalldichalkogenide. Beide Kristalle weisen eine geschichtete Kristallstruktur auf. Die Einzelschichten werden durch leichte van der Waals Kräfte zusammengehalten. Die Atombindungen in den Einzelschichten ist stark kovalent. Dies macht es möglich einzelne Schichten vom Kristall zu trennen. Die Einzelschichten haben andere Eigenschaften als der Kristall. Es kommt zu einem Übergang von einem indirekten Halbleiterskristall zu einem direkten Halbleiter in der Einzelschicht und starker Photolumineszenz im Energiebereich von 1-2eV. Diese Eigenschaften machen diese Materialien interessant für elektronische und optoelektronische Bauelemente. Das Ziel dieser Arbeit war es Feldeffektransistoren mit WS2 und MoSe2 Einzel- und Mehrfachschichten zu fertigen. Zu Beginn wurden dünne Kristallschichten auf ein Silziumsubstrat mit einer thermisch gewachsenen SiO2 Schicht transferiert. Für diesen Transferprozess wurden zwei verschieden Methoden verwendet. Um die verschiedenen Schichtdicken der einzelnen Kristalle zu bestimmen wurden Photolumineszenz- und Ramanmessungen durchgeführt. Die Kristalleinzelschichten wurden in einem Lithographieprozess mit einem Laserschreiber kontaktiert. Die elektrische Charakterisierung wurden unter Raumtemperatur und nach dem Ausheizen im Vakuum durchgeführt. Es wurde festgestellt das durch das Ausheizen im Vakuum die Ladungsträgerinjektion in den Halbleiter und die Mobilität der Elektronen verbessert wurde. Alle Bauteile zeigten ein ON/OFF Verhältnis von 105. Um die unterschiedlichen Ladungsträgerinjektionen zwischen Metall und Halbleiter zu untersuchen wurden Metalle mit unterschiedlicher Austrittsarbeit verwendet. Für beide Halbleitermaterialien wurden Titan (kleine Austrittsarbeit) und Palladium (große Austrittsarbeit) als Metallkontakte verwendet. Aufgund des starken Ferminiveau "pinnings" an der Grenzfläche wurde für alle Bauteile ein n-Typ Verhalten gemessen. Am Schluss wurde eine Temperaturstudie durchgeführt um die Höhe der Schottkybarriere zu bestimmen. Für WS2 wurden Schottkybarrieren in der Höhe von 40 und 120meV für Titan und Palladium gefunden. MoSe2 zeigte 50 und 100meV für Titan und Palladium.

Tungsten disulfide (WS2) and molybdenum diselenide (MoSe2) crystals are indirect semiconductors that belong to the family of transition metal dichalcogenides (TMDCs). Their bulk crystals compose of a layered structure. These single layers are held together by weak van der Waals forces. The atomic bonds in the single layers are strong covalent. This makes it possible to separate single layers from the bulk crystal using an exfoliation technique. Single layers of these materials have different properties than the bulk crystal. The band structure changes from an indirect band gap for bulk to a direct band gap for single layer. The direct band gap is in the range of 1-2eV and leads to an enhanced photoluminescence signal. These properties make these materials interesting for electronic and optoelectronic devices. The aim of this work was to fabricate field effect transistors based on WS2 and MoSe2 mono- and few layers. In a first step thin TMDC layers were transferred to a silicon substrate with a thermally grown SiO2 on top. To achieve this, two different transfer techniques were used. In order to differentiate between mono- and few layers of the TMDC crystals photoluminescence and Raman measurements were performed to determine the thickness. With a standard lithography process the TMDC layers were contacted using a laser writer. The electrical characterisation was performed at room temperature and after annealing in vacuum. It was found that the annealing in vacuum improves the carrier injection into the semiconductor and also the electron mobility. All devices showed ON/OFF ratios of 105. To study the different carrier injection at the interface of the metal and the TMDC layers two different metal contacts were used. Therefore a low work function metal (titanium) and a high work function metal (palladium) were chosen for both TMDC layers. For both metal work functions the devices showed a n-type behaviour, which could be explained by a strong Fermi level pinning at the interface. In the end a temperature dependent study was performed to calculate and analyse the formed Schottky barriers at the interface. For WS2 Schottky barriers of 40 and 120meV for titanium and palladium were found. MoSe2 showed 50 and 100meV for titanium and palladium.