Papers
Topics
Authors
Recent
2000 character limit reached

Utilizing the Janus MoSSe surface polarization in designing complementary metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (2312.17594v3)

Published 29 Dec 2023 in cond-mat.mtrl-sci and physics.app-ph

Abstract: Janus transition metal dichalcogenides (JTMDs) have attracted much attention because of their outstanding electronic and optical properties. The additional out-of-plane dipole in JTMDs can form n- and p-like Ohmic contacts, and this may be used in device applications such as pin diodes and photovoltaic cells. In this study, we exploit this property to design n- and p-type metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs). First, we use density-functional theory calculations to study the inherent dipole field strength in the trilayer JTMD MoSSe. The intrinsic dipole of MoSSe causes band bending at both the metal/MoSSe and MoSSe/metal interfaces, resulting in electron and hole accumulation to form n- and p-type Ohmic contact regions. We incorporate this property into a 2D finite-element-based Poisson-drift-diffusion solver to perform simulations, on the basis of which we design complementary MOSFETs. Our results demonstrate that JTMDs can be used to make n- and p-MOSFETs in the same layer without the need for any extra doping.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (53)
  1. M. Chhowalla, D. Jena,  and H. Zhang, “Two-dimensional semiconductors for transistors,” Nat. Rev. Mater. 1, 16052 (2016).
  2. F.-X. R. Chen, N. Kawakami, C.-T. Lee, P.-Y. Shih, Z.-C. Wu, Y.-C. Yang, H.-W. Tu, W.-B. Jian, C. Hu,  and C.-L. Lin, “Visualizing correlation between carrier mobility and defect density in MoS2 FET,” Appl. Phys. Lett. 121, 151601 (2022a).
  3. B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti,  and A. Kis, “Single-layer MoS2 transistors,” Nat. Nanotechnol. 6, 147–150 (2011).
  4. M. Ye, D. Zhang,  and Y. K. Yap, “Recent advances in electronic and optoelectronic devices based on two-dimensional transition metal dichalcogenides,” Electronics 6, 43 (2017).
  5. A. Chaves, J. G. Azadani, H. Alsalman, D. R. da Costa, R. Frisenda, A. J. Chaves, S. H. Song, Y. D. Kim, D. He, J. Zhou, A. Castellanos-Gomez, F. M. Peeters, Z. Liu, C. L. Hinkle, S.-H. Oh, P. D. Ye, S. J. Koester, Y. H. Lee, P. Avouris, X. Wang,  and T. Low, “Bandgap engineering of two-dimensional semiconductor materials,” npj 2D Mater. Appl. 4, 29 (2020).
  6. M. I. Serna, S. H. Yoo, S. Moreno, Y. Xi, J. P. Oviedo, H. Choi, H. N. Alshareef, M. J. Kim, M. Minary-Jolandan,  and M. A. Quevedo-Lopez, “Large-area deposition of MoS2 by pulsed laser deposition with in situ thickness control,” ACS Nano 10, 6054–6061 (2016).
  7. Y. Zhang, Y. Zhang, Q. Ji, J. Ju, H. Yuan, J. Shi, T. Gao, D. Ma, M. Liu, Y. Chen, et al., “Controlled growth of high-quality monolayer WS2 layers on sapphire and imaging its grain boundary,” ACS Nano 7, 8963–8971 (2013).
  8. C. M. Orofeo, S. Suzuki, Y. Sekine,  and H. Hibino, “Scalable synthesis of layer-controlled WS2 and MoS2 sheets by sulfurization of thin metal films,” Appl. Phys. Lett. 105, 083112 (2014).
  9. Y. Liu, X. Duan, H.-J. Shin, S. Park, Y. Huang,  and X. Duan, “Promises and prospects of two-dimensional transistors,” Nature 591, 43–53 (2021).
  10. A.-J. Cho, K. C. Park,  and J.-Y. Kwon, “A high-performance complementary inverter based on transition metal dichalcogenide field-effect transistors,” Nanoscale Res. Lett. 10, 115 (2015).
  11. Y.-C. Chen, Y.-T. Chao, E. Chen, C.-H. Wu,  and Y.-R. Wu, “Studies of two-dimensional material resistive random-access memory by kinetic monte carlo simulations,” Phys. Rev. Mater. 7, 094001 (2023).
  12. X. Xiong, A. Tong, X. Wang, S. Liu, X. Li, R. Huang,  and Y. Wu, “Demonstration of vertically-stacked CVD monolayer channels: MoS2 nanosheets GAA-FET with Ion>700subscript𝐼on700I_{\mathrm{on}}>700italic_I start_POSTSUBSCRIPT roman_on end_POSTSUBSCRIPT > 700 µA/µm and MoS2/WSe2 CFET,” in 2021 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) (2021) pp. 7.5.1–7.5.4.
  13. Y. Zhao, T.-Y. Tsai, G. Wu, C. Ó Coileáin, Y.-F. Zhao, D. Zhang, K.-M. Hung, C.-R. Chang, Y.-R. Wu,  and H.-C. Wu, “Graphene/SnS2 van der waals photodetector with high photoresponsivity and high photodetectivity for broadband 365–2240 nm detection,” ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 47198–47207 (2021).
  14. P.-F. Chen, E. Chen,  and Y.-R. Wu, “Design of monolayer MoS2 nanosheet transistors for low-power applications,” IEEE Transactions on Electron Devices 69, 358–363 (2022).
  15. A. Pezeshki, H. Shokouh, S. Hossein, P. J. Jeon, I. Shackery, J. S. Kim, I.-K. Oh, S. C. Jun, H. Kim,  and S. Im, “Static and dynamic performance of complementary inverters based on nanosheet α𝛼\alphaitalic_α-MoTe2 p-channel and MoS2 n-channel transistors,” ACS Nano 10, 1118–1125 (2016).
  16. D. Ovchinnikov, A. Allain, Y.-S. Huang, D. Dumcenco,  and A. Kis, “Electrical transport properties of single-layer WS2,” ACS Nano 10, 8174–8181 (2014).
  17. L. Zhang, Y. Zhang, X. Sun, K. Jia, Q. Zhang, Z. Wu,  and H. Yin, “High-performance multilayer WSe2 p-type field effect transistors with Pd contacts for circuit applications,” J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 32, 17427–17435 (2021).
  18. A. Allain, J. Kang, K. Banerjee,  and A. Kis, “Electrical contacts to two-dimensional semiconductors,” Nat. Mater. 14, 1195–1205 (2015).
  19. Y. Zheng, J. Gao, C. Han,  and W. Chen, “Ohmic contact engineering for two-dimensional materials,” Cell Rep. Phys. Sci. 2, 100298 (2021).
  20. J. Kang, W. Liu, D. Sarkar, D. Jena,  and K. Banerjee, “Computational study of metal contacts to monolayer transition-metal dichalcogenide semiconductors,” Phys. Rev. X 4, 031005 (2014).
  21. B. Ouyang, S. Xiong,  and Y. Jing, “Tunable phase stability and contact resistance of monolayer transition metal dichalcogenides contacts with metal,” npj 2D Mater. Appl. 2, 13 (2018).
  22. H. Tang, B. Shi, Y. Pan, J. Li, X. Zhang, J. Yan, S. Liu, J. Yang, L. Xu, J. Yang, M. Wu,  and J. Lu, “Schottky contact in monolayer WS2 field-effect transistors,” Adv. Theory Simul. 2, 1900001 (2019).
  23. R. T. Tung, “The physics and chemistry of the Schottky barrier height,” Appl. Phys. Rev. 1, 011304 (2014).
  24. R. Younas, G. Zhou,  and C. L. Hinkle, “A perspective on the doping of transition metal dichalcogenides for ultra-scaled transistors: Challenges and opportunities,” Appl. Phys. Lett. 122, 160504 (2023).
  25. L. Kong, X. Zhang, Q. Tao, M. Zhang, W. Dang, Z. Li, L. Feng, L. Liao, X. Duan,  and Y. Liu, “Doping-free complementary WSe2 circuit via van der Waals metal integration,” Nat. Commun. 11, 1866 (2020).
  26. N. Zhao and U. Schwingenschlögl, “Dipole-induced Ohmic contacts between monolayer Janus MoSSe and bulk metals,” npj 2D Mater. Appl. 131, 72 (2022).
  27. H. Liu, A. T. Neal, Z. Zhu, Z. Luo, X. Xu, D. Tománek,  and P. D. Ye, “Phosphorene: An unexplored 2D semiconductor with a high hole mobility,” ACS Nano 8, 4033–4041 (2014).
  28. S. Das, M. Dubey,  and A. Roelofs, “High gain, low noise, fully complementary logic inverter based on bi-layer WSe2 field effect transistors,” Appl. Phys. Lett. 105, 083511 (2014).
  29. S. Ullah, X. Yang, H. Q. Ta, M. Hasan, A. Bachmatiuk, K. Tokarska, B. Trzebicka, L. Fu,  and M. H. Rummeli, “Graphene transfer methods: A review,” Nano Res. 14, 3756–3772 (2021).
  30. Y.-F. Lin, Y. Xu, S.-T. Wang, S.-L. Li, M. Yamamoto, A. Aparecido-Ferreira, W. Li, H. Sun, S. Nakaharai, W.-B. Jian, K. Ueno,  and K. Tsukagoshi, “Ambipolar MoTe2 transistors and their applications in logic circuits,” Adv. Mater. 26, 3263–3269 (2014).
  31. K.-C. Lee, S.-H. Yang, Y.-S. Sung, Y.-M. Chang, C.-Y. Lin, F.-S. Yang, M. Li, K. Watanabe, T. Taniguchi, C.-H. Ho, C.-H. Lien,  and Y.-F. Lin, “Analog circuit applications based on all-2D ambipolar ReSe2 field-effect transistors,” Adv. Funct. Mater. 29, 1809011 (2019).
  32. A.-Y. Lu, H. Zhu, J. Xiao, C.-P. Chuu, Y. Han, M.-H. Chiu, C.-C. Cheng, C.-W. Yang, K.-H. Wei, Y. Yang, Y. Wang, D. Sokaras, D. Nordlund, P. Yang, D. A. Muller, M.-Y. Chou, X. Zhang,  and L.-J. Li, “Janus monolayers of transition metal dichalcogenides,” Nat. Nanotechnol. 12, 744–749 (2017).
  33. D. B. Trivedi, G. Turgut, Y. Qin, M. Y. Sayyad, D. Hajra, M. Howell, L. Liu, S. Yang, N. H. Patoary, H. Li, M. M. Petrić, M. Meyer, M. Kremser, M. Barbone, G. Soavi, A. V. Stier, K. Müller, S. Yang, I. S. Esqueda, H. Zhuang, J. J. Finley,  and S. Tongay, “Room-temperature synthesis of 2D Janus crystals and their heterostructures,” Adv. Mater. 32, 2006320 (2020).
  34. Y.-C. Lin, C. Liu, Y. Yu, E. Zarkadoula, M. Yoon, A. A. Puretzky, L. Liang, X. Kong, Y. Gu, A. Strasser, H. M. I. Meyer, M. Lorenz, M. F. Chisholm, I. N. Ivanov, C. M. Rouleau, G. Duscher, K. Xiao,  and D. B. Geohegan, “Low energy implantation into transition-metal dichalcogenide monolayers to form Janus structures,” ACS Nano 14, 3896–3906 (2020).
  35. M. Petrić, M. Kremser, M. Barbone, Y. Qin, Y. Sayyad, Y. Shen, S. Tongay, J. Finley, A. Botello-Méndez,  and K. Müller, “Raman spectrum of Janus transition metal dichalcogenide monolayers WSSe and MoSSe,” Phys. Rev. B 103, 035414 (2021).
  36. R. Chaurasiya, G. Gupta,  and A. Dixit, “Ultrathin Janus WSSe buffer layer for W(S/Se)2 absorber based solar cells: A hybrid, DFT and macroscopic, simulation studies,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells 201, 110076 (2019).
  37. L. Zhang, Y. Xia, X. Li, L. Li, X. Fu, J. Cheng,  and R. Pan, “Janus two-dimensional transition metal dichalcogenides,” J. Appl. Phys. 131, 230902 (2022).
  38. L. Zhang, Z. Yang, T. Gong, R. Pan, H. Wang, Z. Guo, H. Zhang,  and X. Fu, “Recent advances in emerging Janus two-dimensional materials: From fundamental physics to device applications,” J. Mater. Chem. A 8, 8813–8830 (2020).
  39. D. Kong, F. Tian, Y. Xu, S. Zhu, Z. Yu, L. Xiong, P. Li, H. Wei, X. Zheng,  and M. Peng, “Polarity reversal and strain modulation of Janus MoSSe/GaN polar semiconductor heterostructures,” Phys. Chem. Chem. Phys. 25, 30361–30372 (2023).
  40. Y.-Q. Chen, H.-H. Zhang, B. Wen, X.-B. Li, X.-L. Wei, W.-J. Yin, L.-M. Liu,  and G. Teobaldi, “The role of permanent and induced electrostatic dipole moments for Schottky barriers in Janus MXY/graphene heterostructures: A first-principles study,” Dalton Trans. 51, 9905–9914 (2022b).
  41. M. Palsgaard, T. Gunst, T. Markussen, K. S. Thygesen,  and M. Brandbyge, “Stacked Janus device concepts: Abrupt pn-junctions and cross-plane channels,” Nano Lett. 18, 7275–7281 (2018).
  42. X. Liu, P. Gao, W. Hu,  and J. Yang, “Photogenerated-carrier separation and transfer in two-dimensional Janus transition metal dichalcogenides and graphene van der Waals sandwich heterojunction photovoltaic cells,” J. Phys. Chem. Lett. 11, 4070–4079 (2020).
  43. Y. R. Wu, “Optoelectronic Device Simulation Laboratory,” http://yrwu-wk.ee.ntu.edu.tw/, see the DDCC 2D section for more information.
  44. P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, G. L. Chiarotti, M. Cococcioni, I. Dabo, A. D. Corso, S. de Gironcoli, S. Fabris, G. Fratesi, R. Gebauer, U. Gerstmann, C. Gougoussis, A. Kokalj, M. Lazzeri, L. Martin-Samos, N. Marzari, F. Mauri, R. Mazzarello, S. Paolini, A. Pasquarello, L. Paulatto, C. Sbraccia, S. Scandolo, G. Sclauzero, A. P. Seitsonen, A. Smogunov, P. Umari,  and R. M. Wentzcovitch, “QUANTUM ESPRESSO: A modular and open-source software project for quantum simulations of materials,” J. Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009).
  45. D. R. Hamann, M. Schlüter,  and C. Chiang, “Norm-conserving pseudopotentials,” Phys. Rev. Lett. 43, 1494–1497 (1979).
  46. S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich,  and H. Krieg, “A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H–Pu,” J. Chem. Phys. 132, 154104 (2010).
  47. H. L. Skriver and N. M. Rosengaard, “Surface energy and work function of elemental metals,” Phys. Rev. B 46, 7157 (1992).
  48. M. Wu, Y. I. Alivov,  and H. Negi, Morkoç, “High-κ𝜅\kappaitalic_κ dielectrics and advanced channel concepts for Si MOSFET,” J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 19, 915–951 (2008).
  49. B. Kumar, B. K. Kaushik,  and Y. S. Negi, “Perspectives and challenges for organic thin film transistors: Materials, devices, processes and applications,” J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 25, 1–30 (2014).
  50. A. Laturia, M. L. V. de Put,  and W. G. Vandenberghe, “Dielectric properties of hexagonal boron nitride and transition metal dichalcogenides: From monolayer to bulk,” npj 2D Mater. Appl. 2, 6 (2018).
  51. H.-C. Pai and Y.-R. Wu, “Investigating the high field transport properties of Janus WSSe and MoSSe by DFT analysis and Monte Carlo simulations,” J. Appl. Phys. 131, 144303 (2022).
  52. C. Gong, G. Lee, B. Shan, E. M. Vogel, R. M. Wallace,  and K. Cho, “First-principles study of metal–graphene interfaces,” J. Appl. Phys. 108, 123711 (2010).
  53. A. Sebastian, R. Pendurthi, T. H. Choudhury, J. M. Redwing,  and S. Das, “Benchmarking monolayer MoS2 and WS2 field-effect transistors,” Nat. Commun. 12, 693 (2021).

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now
Slide Deck Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Whiteboard

Dice Question Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now
Lightbulb Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now
List To Do Tasks Checklist Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up
X Twitter Logo Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 0 likes about this paper.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up for Free