Contacting MoS2: a study on the contact resistance for different metal contacts

In a continuously evolving world like ours, new technologies, such as AI or autonomous vehicles are improved every day, demanding a constant increase of computational power. For this reason, the main semiconductor manufacturing companies have been always re- ducing the size of electronic components, such as transistors. This scaling is needed to avoid the short-channel effects but it cannot go on indiscriminately, because it would kill the mobility of the semiconductor when the thickness of the semiconductor starts to become small, consequently reducing the transistor performances. In order to avoid these problems, new geometries, such as FinFETs and gate-all-around FETs were invented, which allowed better electrostatic control of the gate. Another more radical possibility is to use a semiconductive material different from silicon. Since mono- layer graphene was successfully exfoliated, the study of 2D materials, such as transition metal dichalcogenides (TMDCs), has been one of the most promising fields of research in nanophysics and nanoengineering, since they are resilient against short channel effects. One of the most promising TMDCs is MoS2, which is used to create the semiconductive channels in FETs, thanks to its high bandgap and on/off current ratio. One of the main problems associated to this kind of FETs is the high contact resistance between MoS2 and the metal, which causes a serious decrease in the performance of ultra-scaled transistors. This thesis work, done at L-NESS laboratory in Como, aims to examine the influence of various metallic (Au and Ti) and semimetallic (Bi) contacts on the contact resistance of MoS2 FETs. The FETs were fabricated using mono/bilayer exfoliated MoS2, and the contact resistance was assessed using both the Transmission Line Method (TLM) and the 4-probe method. Our experiments demonstrate that the incorporation of Bi effectively lowers contact resis- tance to 311 Ω·μm, a value significantly below that achieved by Au contacts. This research opens a pathway for the practical use of MoS2 FETs in real electronic applications

In un mondo in continua evoluzione come il nostro, nuove tecnologie sono perfezionate ogni giorno, come l’intelligenza artificiale o veicoli a guida autonoma, richiedendo un costante incremento del potere computazionale necessario a sostenerle. Per questa ragione, le principali compagnie produttrici di semiconduttori stanno cercando di ridurre sempre più le dimensioni delle componenti elettroniche, come i transistor. Lo scaling delle dimensioni serve ad evitare gli effetti di canale corto, ma non può continuare inidscriminatamente perchè la mobilità del semiconduttore subisce una drastica riduzione quando lo spessore scende sotto un dato limite, causando un peggioramento delle performances dei transistor. Per evitare questi problemi sono state introdotte nuove geometrie, come i FinFETs e i gate-all-around FETs, che consentono un miglior controllo elettrostatico del gate. Un’altra possibilità, più radicale, è quella di usare un semiconduttore diverso dal silicio: da quando il grafene è stato esfoliato con successo, lo studio dei materiali bidimensionali, come i dicalcogenidi di metalli di transizione (TMDCs), è stato uno dei più promettenti settori di ricerca nella nanofisica e nanoingengeria, siccome sono scarsamente influenzati dagli effetti di canale corto. Uno dei TMDCs più promettenti è il disolfuro di molibdeno (MoS2), che viene utilizzato come canale semiconduttivo nei field effect transistors (FETs), grazie al suo ampio bandgap e all’alto rapporto delle correnti on/off. Uno dei principali problemi che affligge questo tipo di FETs è l’alta resistenza di contatto che è presente tra il MoS2 e il metallo, che causa un’importante diminuzione delle performance dei transis- tor. Lo scopo di questo elaborato di tesi, svolto nel laboratorio L-NESS a Como, è quello di studiare l’influenza di vari contatti metallici (oro e titanio) e semimetallici (bismuto) sulla resistenza di contatto. I FETs sono stati fabbricati usando mono/bilayer MoS2 e la resistenza di contatto è stata misurata sia con il metodo Trasnfer Line (TLM) sia con il metodo 4-probes. Gli esperimenti svolti dimostrano che l’uso del bismuto ha causato una riduzione effettiva della resistenza di contatto, con un valore di 311 Ω · μm, significati- vamente minore di quello ottenuto con contatti in oro. Questa ricerca ha aperto nuove possibilità per l’uso di FETs in MoS2 per applicazioni elettroniche concrete.