Understanding and improving the contact resistance of two-dimensional materials for the fabrication of next-generation devices is of vital importance to be able to fully utilize the new physics available in these materials. In this work, eight different contact metals (Ag, Au, Cr, Cu, In, Mo, Ni, and Ti) have been investigated using the same sample of monolayer MoS2. Through the fabrication and testing of multiple, identically sized field-effect transistor devices per contact metal, we compensate for large variability in electrical properties of as-grown chemical vapor deposition MoS2 and deduce the relative performance of each metal. The general trend of lower work function metals having lower contact resistance holds with In, Ag, and Ti performing the best of the metals tested. Our results are compatible with recent research suggesting that the contact resistance in undoped, monolayer MoS2 is dominated by a lateral junction resistance, and we provide context for how this manifests in device-to-device variation. Multiple orders of magnitude differences in contact resistance are observed between metals and can be explained by this lateral barrier operating in the thermionic-field emission regime.

1.
R.-H.
Yan
,
A.
Ourmazd
, and
K. F.
Lee
,
IEEE Trans. Electron Devices
39
,
1704
1710
(
1992
).
2.
F.
Schwierz
,
J.
Pezoldt
, and
R.
Granzner
,
Nanoscale
7
,
8261
8283
(
2015
).
3.
M.
Chhowalla
,
D.
Jena
, and
H.
Zhang
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16052
(
2016
).
4.
Y.
Liu
,
X.
Duan
,
H.-J.
Shin
,
S.
Park
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nature
591
,
43
53
(
2021
).
5.
U.
Krishnan
,
M.
Kaur
,
K.
Singh
,
M.
Kumar
, and
A.
Kumar
,
Superlattices Microstruct.
128
,
274
297
(
2019
).
6.
A.
Allain
,
J.
Kang
,
K.
Banerjee
, and
A.
Kis
,
Nat. Mater.
14
,
1195
1205
(
2015
).
7.
K. D.
Holland
,
A. U.
Alam
,
N.
Paydavosi
,
M.
Wong
,
C. M.
Rogers
,
S.
Rizwan
,
D.
Kienle
, and
M.
Vaidyanathan
,
IEEE Trans. Nanotechnol.
16
,
94
(
2017
).
8.
D. S.
Schulman
,
A. J.
Arnold
, and
S.
Das
,
Chem. Soc. Rev.
47
,
3037
3058
(
2018
).
9.
S. M.
Sze
and
K. N.
Kwok
,
Physics of Semiconductor Devices
, 3rd ed. (
John Wiley & Sons, Inc.
,
Hoboken
,
NJ
,
2007
).
10.
I.
Baum
,
C.
Darmody
,
Y.
Cui
, and
N.
Goldsman
,
J. Appl. Phys.
131
,
035703
(
2022
).
11.
S.
Das
,
H.-Y.
Chen
,
A. V.
Penumatcha
, and
J.
Appenzeller
,
Nano Lett.
13
,
100
105
(
2013
).
12.
C.
Kim
,
I.
Moon
,
D.
Lee
,
M. S.
Choi
,
F.
Ahmed
,
S.
Nam
,
Y.
Cho
,
H.-J.
Shin
,
S.
Park
, and
W. J.
Yoo
,
ACS Nano
11
,
1588
1596
(
2017
).
13.
C.
Gong
,
L.
Colombo
,
R. M.
Wallace
, and
K.
Cho
,
Nano Lett.
14
,
1714
1720
(
2014
).
14.
S.
Lee
,
A.
Tang
,
S.
Aloni
, and
H.-S.
Philip Wong
,
Nano Lett.
16
,
276
281
(
2016
).
15.
Y.
Liu
,
J.
Guo
,
E.
Zhu
,
L.
Liao
,
S.-J.
Lee
,
M.
Ding
,
I.
Shakir
,
V.
Gambin
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nature
557
,
696
700
(
2018
).
16.
K.
Schauble
,
D.
Zakhidov
,
E.
Yalon
,
S.
Deshmukh
,
R. W.
Grady
,
K. A.
Cooley
,
C. J.
McClellan
,
S.
Vaziri
,
D.
Passarello
,
S. E.
Mohney
,
M. F.
Toney
,
A. K.
Sood
,
A.
Salleo
, and
E.
Pop
,
ACS Nano
14
,
14798
14808
(
2020
).
17.
P.-C.
Shen
,
C.
Su
,
Y.
Lin
,
A.-S.
Chou
,
C.-C.
Cheng
,
J.-H.
Park
,
M.-H.
Chiu
,
A.-Y.
Lu
,
H.-L.
Tang
,
M. M.
Tavakoli
,
G.
Pitner
,
X.
Ji
,
Z.
Cai
,
N.
Mao
,
J.
Wang
,
V.
Tung
,
J.
Li
,
J.
Bokor
,
A.
Zettl
,
C.-I.
Wu
,
T.
Palacios
,
L.-J.
Li
, and
J.
Kong
,
Nature
593
,
211
217
(
2021
).
18.
S. B.
Mitta
,
M. S.
Choi
,
A.
Nipane
,
F.
Ali
,
C.
Kim
,
J. T.
Teherani
,
J.
Hone
, and
W. J.
Yoo
,
2D Mater.
8
,
012002
(
2021
).
19.
A.
Alharbi
,
Z.
Huang
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
, and
D.
Shahrjerdi
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
135
138
(
2019
).
20.
S.
McDonnell
,
C.
Smyth
,
C. L.
Hinkle
, and
R. M.
Wallace
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
8289
8294
(
2016
).
21.
K. M.
Freedy
,
A.
Giri
,
B. M.
Foley
,
M. R.
Barone
,
P. E.
Hopkins
, and
S.
McDonnell
,
Nanotechnology
29
,
145201
(
2018
).
22.
C. M.
Smyth
,
R.
Addou
,
S.
McDonnell
,
C. L.
Hinkle
, and
R. M.
Wallace
,
J. Phys. Chem. C
120
,
14719
14729
(
2016
).
23.
A. C.
Domask
,
K. A.
Cooley
,
B.
Kabius
,
M.
Abraham
, and
S. E.
Mohney
,
Cryst. Growth Des.
18
,
3494
3501
(
2018
).
24.
Y.
Wang
,
J. C.
Kim
,
R. J.
Wu
,
J.
Martinez
,
X.
Song
,
J.
Yang
,
F.
Zhao
,
A.
Mkhoyan
,
H. Y.
Jeong
, and
M.
Chhowalla
,
Nature
568
,
70
74
(
2019
).
25.
A.
Kumar
,
K.
Schauble
,
K. M.
Neilson
,
A.
Tang
,
P.
Ramesh
,
H.-S. P.
Wong
,
E.
Pop
, and
K.
Saraswat
,
IEEE Int. Electron Devices Meet.
7
(
3
),
1
(
2021
).
26.
B. K.
Kim
,
T. H.
Kim
,
D. H.
Choi
,
H.
Kim
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
H.
Rho
,
J. J.
Kim
,
Y. H.
Kim
, and
M. H.
Bae
,
npj 2D Mater. Appl.
5
,
1
(
2021
).
27.
Z.
Cao
,
F.
Lin
,
G.
Gong
,
H.
Chen
, and
J.
Martin
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
022101
(
2020
).
28.
A.-S.
Chou
,
C.-C.
Cheng
,
S.-L.
Liew
,
P.-H.
Ho
,
S.-Y.
Wang
,
Y.-C.
Chang
,
C.-K.
Chang
,
Y.-C.
Su
,
Z.
Da Huang
,
F.-Y.
Fu
,
C.-F.
Hsu
,
Y.-Y.
Chung
,
W.-H.
Chang
,
L.-J.
Li
, and
C.-I.
Wu
,
IEEE Electron Device Lett.
42
,
272
275
(
2021
).
29.
A. S.
Chou
,
T.
Wu
,
C. C.
Cheng
,
S. S.
Zhan
,
I. C.
Ni
,
S. Y.
Wang
,
Y. C.
Chang
,
S. L.
Liew
,
E.
Chen
,
W. H.
Chang
,
C. I.
Wu
,
J.
Cai
,
H. S. P.
Wong
, and
H.
Wang
, in
Technical Digest—International Electron Devices Meeting IEDM 2021-December
(IEEE,
2021
), p.
7.2.1
.
30.
R.
Pisoni
,
Z.
Lei
,
P.
Back
,
M.
Eich
,
H.
Overweg
,
Y.
Lee
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
T.
Ihn
, and
K.
Ensslin
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
123101
(
2018
).
31.
K.
Parto
,
A.
Pal
,
T.
Chavan
,
K.
Agashiwala
,
C.-H.
Yeh
,
W.
Cao
, and
K.
Banerjee
,
Phys. Rev. Appl.
15
,
064068
(
2021
).
32.
D. K.
Schroder
,
Semiconductor Material and Device Characterization
, 3rd ed. (
John Wiley & Sons, Inc.
,
Hoboken
,
NJ
,
2006
).
33.
J. H.
Ahn
,
W. M.
Parkin
,
C. H.
Naylor
,
A. T. C.
Johnson
, and
M.
Drndić
,
Sci. Rep.
7
,
1
(
2017
).
34.
A.
Sebastian
,
R.
Pendurthi
,
T. H.
Choudhury
,
J. M.
Redwing
, and
S.
Das
,
Nat. Commun.
12
,
1
(
2021
).
35.
H. B.
Michaelson
,
J. Appl. Phys.
48
,
4729
4733
(
1977
).
36.
A.
Nourbakhsh
,
A.
Zubair
,
R. N.
Sajjad
,
A. K. G.
Tavakkoli
,
W.
Chen
,
S.
Fang
,
X.
Ling
,
J.
Kong
,
M. S.
Dresselhaus
,
E.
Kaxiras
,
K. K.
Berggren
,
D.
Antoniadis
, and
T.
Palacios
,
Nano Lett.
16
,
7798
7806
(
2016
).
37.
C. D.
English
,
G.
Shine
,
V. E.
Dorgan
,
K. C.
Saraswat
, and
E.
Pop
,
Nano Lett.
16
,
3824
3830
(
2016
).
38.
J.
Xie
,
N.
Md Patoary
,
G.
Zhou
,
M.
Yasir Sayyad
,
S.
Tongay
, and
I.
Sanchez Esqueda
,
Nanotechnology
33
,
225702
(
2022
).
39.
J.
Xiao
,
Z.
Kang
,
B.
Liu
,
X.
Zhang
,
J.
Du
,
K.
Chen
,
H.
Yu
,
Q.
Liao
,
Z.
Zhang
, and
Y.
Zhang
,
Nano Res.
15
,
475
481
(
2022
).
40.
Z.
Cheng
,
Y.
Yu
,
S.
Singh
,
K.
Price
,
S. G.
Noyce
,
Y.-C.
Lin
,
L.
Cao
, and
A. D.
Franklin
,
Nano Lett.
19
,
5077
5085
(
2019
).
41.
T. Y. T.
Hung
,
S. Y.
Wang
,
C. P.
Chuu
,
Y. Y.
Chung
,
A. S.
Chou
,
F. S.
Huang
,
T.
Chen
,
M. Y.
Li
,
C. C.
Cheng
,
J.
Cai
,
C. H.
Chien
,
W. H.
Chang
,
H. S. P.
Wong
, and
L. J.
Li
, in
Technical Digest—International Electron Devices Meeting. IEDM 2020-December
(IEEE,
2020
), p.
3.3.1
.
42.
Z.
Cheng
,
H.
Zhang
,
S. T.
Le
,
H.
Abuzaid
,
G.
Li
,
L.
Cao
,
A. V.
Davydov
,
A. D.
Franklin
, and
C. A.
Richter
,
ACS Nano
16
,
5316
5324
(
2022
).
43.
J.
Kang
,
W.
Liu
, and
K.
Banerjee
,
Appl. Phys. Lett.
1041
,
113505
(
2014
).
44.
Y.
Pan
,
J.
Gu
,
H.
Tang
,
X.
Zhang
,
J.
Li
,
B.
Shi
,
J.
Yang
,
H.
Zhang
,
J.
Yan
,
S.
Liu
,
H.
Hu
,
M.
Wu
, and
J.
Lu
,
ACS Appl. Nano Mater.
2
,
4717
4726
(
2019
).
45.
G.
Arutchelvan
,
C.J.
Lockhart De La Rosa
,
P.
Matagne
,
S.
Sutar
,
I.
Radu
,
C.
Huyghebaert
,
S.
De Gendt
, and
M.
Heyns
,
Nanoscale
9
,
10869
10879
(
2017
).
46.
E.
Ber
,
R. W.
Grady
,
E.
Pop
, and
E.
Yalon
(
2021
),
47.
F. A.
Padovani
and
R.
Stratton
,
Solid-State Electron.
9
,
695
707
(
1966
).
48.
A. Y. C.
Yu
,
Solid-State Electron.
13
,
239
247
(
1970
).
49.
K.
Varahramyan
and
E. J.
Verret
,
Solid-State Electron.
39
,
1601
1607
(
1996
).
50.
Y.
Yi
,
C.
Wu
,
H.
Liu
,
J.
Zeng
,
H.
He
, and
J.
Wang
,
Nanoscale
7
,
15711
15718
(
2015
).
51.
A.
Nipane
,
S.
Jayanti
,
A.
Borah
, and
J. T.
Teherani
,
J. Appl. Phys.
122
,
194501
(
2017
).
52.
A.
Nipane
,
S.
Jayanti
,
A.
Borah
, and
J. T.
Teherani
,
J. Appl. Phys.
124
,
139902
(
2018
).
53.
A.
Alharbi
and
D.
Shahrjerdi
,
IEEE Trans. Electron Devices
65
,
4084
4092
(
2018
).
54.
S.
McDonnell
,
R.
Addou
,
C.
Buie
,
R. M.
Wallace
, and
C. L.
Hinkle
,
ACS Nano
8
,
2880
2888
(
2014
).
55.
P.
Bampoulis
,
R.
van Bremen
,
Q.
Yao
,
B.
Poelsema
,
H. J. W.
Zandvliet
, and
K.
Sotthewes
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
19278
19286
(
2017
).
56.
B. H.
Moon
,
G. H.
Han
,
H.
Kim
,
H.
Choi
,
J. J.
Bae
,
J.
Kim
,
Y.
Jin
,
H. Y.
Jeong
,
M.-K.
Joo
,
Y. H.
Lee
, and
S. C.
Lim
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
11240
11246
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.