Enhancing Carrier Mobility in Monolayer MoS2 Transistors with Process-Induced Strain

材料科学 晶体管 应变工程 单层 电子迁移率 光电子学 半导体 兴奋剂 数码产品 纳米技术 拉曼光谱 柔性电子器件 饱和速度 电气工程 电压 光学 工程类 物理
作者
Yue Zhang,He Zhao,Siyuan Huang,M. Abir Hossain,Arend M. van der Zande
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (19): 12377-12385 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c01457
摘要

Two-dimensional electronic materials are a promising candidate for beyond-silicon electronics due to their favorable size scaling of electronic performance. However, a major challenge is the heterogeneous integration of 2D materials with CMOS processes while maintaining their excellent properties. In particular, there is a knowledge gap in how thin film deposition and processes interact with 2D materials to alter their strain and doping, both of which have a drastic impact on device properties. In this study, we demonstrate how to utilize process-induced strain, a common technique extensively applied in the semiconductor industry, to enhance the carrier mobility in 2D material transistors. We systematically varied the tensile strain in monolayer MoS2 transistors by iteratively depositing thin layers of high-stress MgOx stressor. At each thickness, we combined Raman spectroscopy and transport measurements to unravel and correlate the changes in strain and doping within each transistor with their performance. The transistors displayed uniform strain distributions across their channels for tensile strains of up to 0.48 ± 0.05%, at 150 nm of stressor thickness. At higher thicknesses, mechanical instability occurred, leading to nonuniform strains. The transport characteristics systematically varied with strain, with enhancement in electron mobility at a rate of 130 ± 40% per % strain and enhancement of the channel saturation current density of 52 ± 20%. This work showcases how established CMOS technologies can be leveraged to tailor the transport in 2D transistors, accelerating the integration of 2D electronics into a future computing infrastructure.
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