MoS2 Transistors with 4 nm hBN Gate Dielectric and 0.46 V Threshold Voltage

材料科学 阈值电压 电介质 光电子学 栅极电介质 晶体管 高-κ电介质 电压 金属浇口 栅氧化层 纳米技术 电气工程 工程类
作者
Yaqing Shen,Sebastián Pazos,Wenwen Zheng,Yue Yuan,Yue Ping,Osamah Alharbi,Hang Liu,Lu Xu,Mario Lanza
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c02341
摘要

The use of two-dimensional (2D) semiconducting materials (MoS2, WS2) as a channel in field-effect transistors may help extend Moore's law and produce devices beyond the complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. Traditional dielectrics used in microelectronics (SiO2, HfO2, Al2O3) form a defective interface with the 2D semiconductor─because the latter does not have dangling bonds─leading to multiple device reliability issues and premature failure. Using 2D hexagonal boron nitride (hBN) as the gate dielectric sounds like a potential solution because it can form a clean van der Waals interface with the 2D semiconductor. However, its relative permittivity is only 3.6, which has raised concerns: it is believed that a MoS2 transistor with hBN gate dielectric cannot be switched ON without the apparition of gate leakage current. Here, we show that transistors with a Pt/4 nm-hBN/MoS2 vertical structure can exhibit ON/OFF current ratios above 105, low threshold voltage of 0.46 V, and low gate leakage current density (JG) of 10-4 A/cm2. Moreover, our Pt/hBN/MoS2 transistors show acceptable performance even after 1000 switching cycles: ON/OFF current ratio is above 104 and JG below 10-4 A/cm2. Our study indicates that hBN may be a suitable gate dielectric for some types of nanosized MoS2 transistors.
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