Impact of Contact Electrode Structures on Charge Carrier Transport in Two-Dimensional Multilayer Field-Effect Transistors

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Two-dimensional (2D) materials have been attracting attention as next-generation semiconductor materials, originating from their ability to control the short-channel effect that occurs in silicon-based devices as a result of device miniaturization. 2D van der Waals (vdW) materials, which are layered materials that can be exfoliated layer by layer, include mono-element materials and transition metal dichalcogenides (TMD) and have unique intrinsic properties and thickness-dependent band gap.

In the case of 2D multilayers with weak vdW interactions between layers, carrier transport depends greatly on interlayer resistance and carrier mobility as a function of thickness. As a result, contact engineering becomes increasingly important in devices based on 2D vdW multilayers, where channel separation and migration occur. Various approaches, such as shifting Fermi energy levels, structural phase engineering, and contact configuration engineering, have been explored to reduce contact resistance, however, these methods have not provided clear solutions. Furthermore, although studies have been conducted on the separation and migration of conducting channels within 2D multilayer materials, the direction of spatial channel location under electrostatic drain and gate voltage conditions has not been clearly resolved. In addition, the carrier density and mobility, which vary with temperature, strongly influence the electrical conductivity of the material under specific electrostatic voltage conditions. This indicates that investigating temperature-dependent properties can provide insights into carrier transport mechanisms and charge scattering mechanism.

Herein, we propose simple but powerful contact strategy, the vertical double-side contact (VDC), and investigate its electrical characteristics and compare them with the conventional contact electrode configurations. We also study the conducting channel migration mechanism within the 2D multilayer field-effect transistors (FETs). Furthermore, we investigate the carrier scattering mechanism at high temperatures in 2D multilayer FET.

First, we proposed a new contact electrode strategy in multilayer rhenium disulfide (ReS2), which is one of the TMD materials, to reduce contact resistance and enhance the interlayer carrier injection efficiency. In this study, we demonstrate the advantages of VDC compared to the conventional top contact (TC) and bottom contact (BC) configurations. The increased contact area provides the charge injection efficiency at the metal-to-2D semiconductor interface and limiting the impact of contact and interlayer resistance on mobility and turn-on voltage. In particular, the reduced transfer length and contact resistance of VDC obtained through transfer length method (TLM) analysis, demonstrate clear advantages compared to the conventional contact electrode configurations.

Second, we fabricated tungsten diselenide (WSe2) devices with VDC and investigated the channel migration mechanism within the material under electrostatic gate and drain voltage conditions. We evaluated the electrical characteristics and charge behavior in comparison with TC, BC, and VDC. Based on the drain and gate bias dependent-shape modification of transconductance closely related to carrier transport mechanisms in 2D multilayers, we examined the redistribution of carrier density along the thickness of the multilayer material in terms of BC, TC, and VDC. In addition, we confirmed negative differential interlayer resistance (NDIR) in vertical resistance via four-probe measurement analysis in the VDC, and identified it as a result of channel migration.

Third, we report on the impact of interlayer resistance on carrier scattering mechanisms in multilayer ReS2 at high temperature regimes. Among various 2D multilayer materials, ReS2 exhibits high interlayer resistance, demonstrating the interlayer resistance effect is crucial for carrier transport inside a multilayer ReS2. At room temperature, we observe the conduction channel migration along the c-axis of the 2D ReS2 multilayer as the gate and drain voltages increase. However, at temperatures above 380 K, an anomalous peak in transconductance emerges, driving a sudden increase of the carrier mobility. These observations are closely related to the suppressed interlayer resistance. In addition, we can separate the contributions of Coulomb scattering, phonon scattering, and interlayer resistance scattering by analyzing the temperature-dependent carrier mobility using Matthiessen's rule.

국문 초록 (Abstract)

차세대 반도체 물질로 주목받고 있는 이차원 물질은 최근 반도체 소자의 소형화에 따라 실리콘 기반 소자에서 발생하는 단채널 효과를 제어할 수 있어 활용도가 높다. 한 층씩 박리가 가능한 층상구조 물질인 이차원 반데르발스 재료는 단일 물질과 전이금속 디칼코게나이드 물질을 포함하며 고유한 물리적 특성과 반도체적 소자로서 적합한 밴드갭을 가진다.

그 중 약한 반데르발스 상호작용을 가지는 이차원 층간 물질에서의 캐리어 전달은 층간 저항과 두께에 따른 캐리어 이동도에 크게 의존한다. 이로 인해 전도 채널의 분리와 이동이 발생하는 이차원 반데르발스 다층 물질 기반 소자에서 접촉 전극 공학이 점점 중요해지고 있다. 접촉 저항을 줄이기 위해 페르미 에너지 레벨을 이동시키는 방법, 구조 상 변화 공학, 그리고 접촉 구성 공학 등 다양한 접근 방식이 연구되었으나 이러한 방법들은 명확한 해결책을 제공하지 않았다. 뿐만 아니라, 이차원 다층 물질 내에서의 전도 채널의 분리와 이동에 대한 연구가 진행되어 왔지만, 정전 기반 드레인 및 게이트 전압 조건에서 공간적 전도 채널 위치의 방향은 아직 명확히 해결되지 않았다. 또한 온도에 따라 변하는 캐리어 밀도와 이동도는 특정 정전기 전압 조건에서 물질의 전기 전도도에 강한 영향을 미친다. 이는 온도에 따라 변하는 속성을 조사함으로써 캐리어 전달 메커니즘과 전하 산란 현상에 대한 통찰력을 얻을 수 있다는 것을 시사한다.

본 논문에서는, 새로운 접촉 방식인 수직 양면 접촉 구조를 제안하여 기존 접촉 전극 구조 방식과 전기적 특성 비교 분석 및 이차원 반데르발스 기반 소자 내에서의 전도성 채널 이동 메커니즘에 대해 연구하였다. 또한 이차원 다층 물질 기반 전계 효과 트랜지스터에서의 고온에서의 캐리어 산란 메커니즘에 대해 연구하였다.

첫번째, 우리는 이차원 반데르발스 물질에서 발생하는 접촉 저항과 관련된 문제에 대응하기 위해 전이금속 디칼코게나이드 물질 중 하나인 다층 이황화 레늄에서 새로운 접촉 방식을 제시하였다. 해당 연구에서는 수직 양면 접촉 전극을 구성함으로써 기존에 사용되던 상부 및 하부 접촉 구성과 비교하여 두 배의 유효 접촉 면적을 제공하는 수직 양면 접촉 전극의 장점을 시연한다. 증가된 접촉 면적은 금속-이차원 반도체 물질 인터페이스에서 전하 주입 효율을 향상시키며, 접촉 및 층간 저항이 이동도, 문턱 전압에 미치는 영향을 제한한다. 특히, TLM (Transfer length method) 분석을 통해 얻은 수직 양면 접촉 전극의 감소된 전류 이동 길이와 접촉 저항은 기존의 접촉 구성과 비교하여 명확한 이점을 제공한다.

두번째, 본 연구에서는 텅스텐 디셀레나이드 소자를 수직 양면 접촉 구조 방식으로 제작하여 게이트 전압과 드레인 전압에 따른 물질 내에서의 채널 이동 메커니즘에 대해 규명한다. 우리는 상부 접촉, 하부 접촉, 그리고 수직 양면 접촉 구조에서의 전기적 특성 평가 및 전하 거동 현상에 대해 확인하였다. 이차원 다층 물질에서 캐리어 이동 메커니즘과 밀접하게 관련된 상호 컨덕턴스의 드레인 및 게이트 전압에 따라 형태가 변하는 것을 기반으로 다층 물질의 두께를 따라 캐리어 밀도의 재분배가 각각의 접촉 방식의 관점에서 명확히 조사되었다. 또한 수직 양면 접촉 전극 구조에서 4단자 측정 분석을 통해 수직 저항에서 부성 미분 저항이 존재함을 확인하였으며, 부성 미분 저항은 채널 이동으로 인해 발생한 것이라고 설명할 수 있었다.

세번째, 우리는 고온 조건에서 다층 이황화 레늄에서 층간 저항이 캐리어 산란 메커니즘에 미치는 영향을 보고하였다. 다양한 이차원 다층 재료 중에서 이황화 레늄은 높은 층간 저항을 가지고 있으며, 따라서 물질 내의 캐리어 전달에 층간저항 효과가 중요하다. 실온에서는 게이트 및 드레인 전압이 증가함에 따라 이차원 이황화 레늄 다층 물질에서 전도 채널이 c축을 따라 이동하는 것을 관찰한다. 그러나 일정 이상의 온도에서는 전도도의 갑작스런 증가를 일으키는 상호 컨덕턴스 피크가 명확하게 나타난다. 이러한 관찰 결과는 이황화 레늄의 유효 층간 전도도의 빠른 감소와 관련되어 있다. 또한, 마티센의 법칙을 사용하여 온도에 따라 변하는 캐리어 이동도를 분석하여 쿨롱비 잡음 산란, 편온 산란 및 층간 저항 산란의 기여도를 분리할 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction
• 1. Overview of two dimensional van der Waals multilayers = 1
• 2. Contact resistance and method of 2D FET = 2
• 3. Channel migration and charge scattering mechanism in two dimensional multilayers = 4
• Chapter 2. Experiments and analysis method
• 1. Current-Voltage measurement = 5
• 2. Transfer length method = 7
• 3. Four-probe measurement = 9
• 4. Y-function method = 10
• Chapter 3. Enhanced interlayer charge injection efficiency in van der Waals multilayers via vertical double-side contacts (VDC)
• 1. Introduction = 12
• 2. Electrical characterization via VDC = 13
• 2.1 Device fabrication = 13
• 2.2 Measurement method of TC, BC, and VDC = 15
• 2.3 Output and Transfer characteristics = 17
• 3. Contact characteristics via VDC = 21
• 4. The effectiveness of VDC = 25
• 5. Conclusion = 27
• Chapter 4. Contact-structure-dependent conducting channel migration in two-dimensional multilayer field-effect transistor
• 1. Introduction = 28
• 2. Experimental details = 30
• 2.1 Device fabrication = 30
• 2.2 Optical and Electrical Characterization = 30
• 3. Channel migration in 2D multilayer FET = 32
• 4. Four-probe measurement via VDC = 34
• 5. Channel migration mechanism in 2D multilayer = 37
• 6. Conclusion = 39
• Chapter 5. Carrier scattering mechanisms at high temperature in multilayer rhenium disulfide field-effect transistor
• 1. Introduction = 40
• 2. Device fabrication = 41
• 3. Electrical characterization of 2D FET in high temperature = 43
• 3.1 Output characteristics and contact properties = 43
• 3.2 Transfer characteristics = 47
• 4. Temperature-dependent field-effect mobility = 50
• 5. Conclusion = 53
• Chapter 6. Conclusion = 54
• References = 55