スパッタ法で作製した p 型硫化モリブデン薄膜の特性と薄膜トランジスタへの応用Characteristics of Sputtered p-Type MoS2 Thin Films and Their TFT ApplicationKachou LI, Kousaku SHIMIZUTwo-dimensional transition-metal dichalcogenides have recently emerged as a promising material system. In particular, molybdenum (IV) sulfide (MoS2) films have been widely investigated as one of the most promising devices for next-generation electronic transistor applications. In this study, an MoS2 film consisting of small crystalline particles and containing a small amount of oxygen atoms substituted for sulfur atoms is deposited by radiofrequency sputtering. The film’s optical bandgap is ~1.25 eV, and it exhibits p-type conduction properties. According to first-principles calculations, the oxygen doping produces a new state immediately above the valence band edge, which might explain the p-type conductivity of the as-sputtered MoS2 film. We attempted to fabricate a p-channel thin-film transistor (TFT) with high performance. Simulation and Kelvin probe analysis of the TFT indicated that Cu is the most suitable material to make ohmic contact between the electrode and MoS2. Cr–Cu electrodes were used. The mobility of the TFT was found to be ~31.47 cm2/(V·s) initially. After the TFT was annealed at 200°C for 1 h in air, its mobility increased to 52.42 cm2/(V·s). Analyses by Raman spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy indicated that the sputtered film contained numerous sulfur defects. To compensate for the defects, we carried out oxidization by hot-wire. As a result, the mobility increased to 62.73 cm2/(V·s). Moreover, to reduce the number of metal–MoS2 interfaces at sulfur defects, a sulfide treatment was conducted at 200°C for 1 h. An ON/OFF ratio of 2.85×106 and mobility of 54.92 cm2/(V·s) were achieved after the sulfurization.Keywords : Transition metal chalcogenide, Two dimensional materials, Field effect transistor, P-channel, FET, MoS2 二次元遷移金属ジカルコゲナイドは，近年，高移動度をもつ有望な材料系として注目を集めている。特に，硫化モリブデン (IV) 膜は，次世代電子トランジスタ応用のための最も有望なデバイスの一つとして広く研究されている。本研究では，硫黄原子を少量の酸素原子で置換した微結晶粒子からなる硫化モリブデン膜を高周波スパッタリング法で堆積した。この膜の光学バンドギャップは約 1.25eV であり，我々の場合 p 型伝導特性を示す。第一原理計算によると，酸素がない場合は、n 型に、また酸素ドーピングを行うと価電子帯端直上に新しいアクセプタ状態が生成される。これがスパッタリング後の硫化モリブデン膜の p 型伝導性を説明できることを明らかにした。本研究では，高性能 p チャネル薄膜トランジスタの作製を試みた。TFT シミュレーションとケルビンプローブ解析により，電極と硫化モリブデン間のオーミック接触を形成するのに最適な材料は Cu であることを明らかにした。TFT の移動度は，最初は約 31.47cm2/(V·s) であった。TFT を空気中で 200°C で 1 時間アニールした後，移動度は 52.42cm2/(V·s) に増加した。ラマン分光法と X 線光電子分光法による分析の結果，スパッタ膜には多数の硫黄欠陥が含まれていることが示された。これらの欠陥を補償するために，ホットワイヤ酸化を行い、酸素を硫黄位置にドーピングした。その結果，移動度は 62.73cm2/(V·s)に増加した。さらに，硫黄欠陥における金属 – 硫化モリブデン界面の数を減らすために，200°C で 1 時間硫化物処理を行った。硫化後，オン / オフ比 2.85 × 106，移動度 54.92cm2/(V·s) が達成された。硫化アニールは特に界面欠陥に効果的に作用していることを明らかにした。キーワード： 遷移金属カルコゲナイド，2 次元材料，電界効果型薄膜トランジスタ，p チャネルトランジスタ，硫化モリブデン Journal（掲載誌）Journal of the Society of Materials Science, Japan, Vol.73, No. 9, pp.735-742, Sep. 2024.Published Paper－ －9
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