Onderzoek naar nitridatie op de banduitlijning op MoS2/HfO2-interfaces

Resultaten en discussies

RENISHAW inVia Raman-spectroscopie werd gebruikt om de Raman-spectra van MoS₂ met weinig lagen te karakteriseren film voor en na de overdrachtsprocedure, zoals geïllustreerd in Fig. 1b. Twee Raman-pieken zijn te zien op ongeveer 382,86 cm ⁻¹ en 406.43 cm ⁻¹ , overeenkomend met de in-plane (\( {E}_{2g}^1 \)) en out-of-plane (A _1g ) modi, respectievelijk [25, 26]. Het bleek dat er bijna geen Raman-verschuiving is in \( {E}_{2g}^1 \) en A _1g modusfrequenties na het overdrachtsproces, wat wijst op minimale structuurwijziging. Het frequentieverschil (∆k ) tussen \( {E}_{2g}^1 \) en A _1g modus werd afgeleid van ongeveer 23,57 cm ⁻¹ , wat neerkomt op ongeveer vier tot vijf lagen MoS₂ filmpje [27]. Zoals getoond in de inzet van Fig. 1b, is de dikte van MoS₂ film werd geverifieerd als ongeveer 2,8 nm door transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie (HRTEM), wat in overeenstemming is met de bovengenoemde Raman-spectra. Bovendien presenteerden we SIMS-diepteprofielen van overgedragen MoS₂ film op genitreerd HfO₂ /Si-substraat. SIMS-meting werd uitgevoerd op een Physical Electronics ADEPT 1010 SIMS-instrument met Cs primaire ionenbundel met een energie van 1 keV, waarin positieve ionen werden verzameld en ladingscompensatie werd uitgevoerd. In deze SIMS-meting werd het stikstofelement gekwantificeerd, terwijl de andere elementen (Mo, Hf en Si) alleen bedoeld zijn als laagmarkeringen en niet gekwantificeerd. Zoals geïllustreerd in Fig. 2a, zijn de diepteprofielen voor overgedragen MoS₂ film op genitreerd HfO₂ /Si-substraat werden bepaald door SIMS, waarin signalen van hoofdcomponenten vertegenwoordigd door Mo, N, Hf en Si worden uitgezet tegen de diepte. De verspreiding van N in de HfO₂ laag werd waargenomen, die geïntrigeerd zou kunnen zijn door de N-injectie in de onderliggende laag tijdens primaire bundelbombardementen of plasmabehandelingen. Het is ook vermeldenswaard dat diepteprofielen nabij de oppervlaktelaag normaal gesproken gecompliceerd en zinloos zijn vanwege de oppervlakteverontreiniging en oppervlakte-effecten, bijvoorbeeld de abnormale intensiteit van het N-element nabij het oppervlak [28]. Het hogere signaal van N-profiel nabij de HfO₂ /Si-interface kan worden toegeschreven aan het feit dat de stikstof de neiging heeft te diffunderen naar de HfO₂ /Si-interface, wat leidt tot de accumulatie van N nabij de interface [29]. De staart van Mo in HfO₂ film kan voornamelijk worden veroorzaakt door primaire bundelbombardementen in SIMS-metingen [30]. Figuur 2b illustreert de respectieve Nis XPS-spectra voor monster 3# en 4#; de pieken met hoge intensiteit voor beide heterojuncties waren Mo 3p_3/2 terwijl een piek van lage intensiteit bij ~-395,80 eV werd gedetecteerd voor de genitreerde heterojunctie, wat wijst op de vorming van Mo-N-binding [31].

een SIMS-diepteprofielen van overgedragen MoS₂ film op genitreerd HfO₂ /Si-substraat. b N 1s XPS-spectra voor MoS₂ /HfO₂ heterojuncties met en zonder nitridatiebehandeling, respectievelijk

Om de banduitlijningen te verkrijgen tussen MoS met weinig lagen₂ en HfO₂ met en zonder nitridatiebehandeling werden XPS-metingen met een stap van 0,05 eV uitgevoerd op het VG ESCALAB 220i-XL-systeem met behulp van een monochromatische Al Kα-röntgenbron (hν = 1486.6 eV). De constante doorlaatenergie werd ingesteld op 20 eV. Bovendien werd de standaard C 1s (284,8 eV) gebruikt voor kalibratie van bindingsenergie (BE) [32]. VBO-waarden evalueren voor MoS₂ /HfO₂ heterojuncties, Mo 3d- en Hf 4f-kernniveaus (CL's) werden respectievelijk geselecteerd voor monster 1-4 #. Figuur 3a presenteert de XPS-smalle scan van Mo 3d en valentiebandspectra van monster 1 # [33]. Dus het bindingsenergieverschil (BED) tussen Mo 3d_5/2 kernniveau en valentiebandmaximum (VBM) voor monster 1# werd berekend op 228,49 ± 0,1 eV. Afbeelding 3b illustreert de CL's van Hf 4f_7/2 en VBM voor monster 2#; het overeenkomstige BED werd vastgesteld op 14,10 ± 0,1 eV. Afbeelding 3c toont de gemeten XPS-spectra van Mo 3d en Hf 4f CL's voor MoS₂ /HfO₂ heterojuncties met/zonder nitridatiebehandeling. Opgemerkt wordt dat de Mo 3d_5/2 CL verschoof van 229,45 ± 0,05 eV voor monster 3# naar 229,90 ± 0,05 eV voor monster 4#. Dit kan worden toegeschreven aan het feit dat er een nitridatie-grensvlaklaag is aangebracht op de MoS₂ /HfO₂ grensvlak na plasmabehandeling, resulterend in de bovengenoemde Mo-N-binding. Met de aanwezigheid van Mo-N-binding droeg de daaruit voortvloeiende ladingsoverdracht tussen Mo- en N-elementen bij aan de gemeten Mo 3d_5/2 CL-verschuiving. Bovendien is de Hf 4f_7/2 CL van 17,40 ± 0,05 eV voor monster 3# werd verschoven naar een hogere bindingsenergie van 17,60 ± 0,05 eV voor monster 4#, terwijl O1s ook een verschuiving van 0,20 eV naar een hoger BED liet zien, zoals weergegeven in figuur 3d. Deze piekverschuivingen impliceerden de neerwaartse bandbuiging bij de HfO₂ oppervlak, wat kan worden geïnterpreteerd als dat het stikstofplasma donorachtige defecten veroorzaakte voor HfO₂ [34]. Op basis van de Kraut-methode [35] heeft de VBO (∆E _V ) waarden kunnen worden berekend met de volgende vergelijking:

waarbij \( {E}_{\mathrm{Mo}\ 3{\mathrm{d}}_{5/2}}^{\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_2} \) en \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_2} \) zijn bindende energieën van Mo 3d_5/2 CL en VBM voor MoS₂ , \( {E}_{\mathrm{Hf}\ 4{\mathrm{f}}_{7/2}}^{{\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_2} \) en \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{{\mathrm{HfO}}_2} \) zijn bindende energieën van Hf 4f_7/2 CL en VBM voor ALD-HfO₂ , ∆E _CL =\( {E}_{\mathrm{Mo}\ 3{\mathrm{d}}_{5/2}}^{\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_2}-{E}_ {\mathrm{Hf}\ 4{\mathrm{f}}_{7/2}}^{{\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_2} \) verwijst naar de BED tussen Mo 3d _5/2 en Hf 4f_7/2 CL's voor ALD-HfO₂ /MoS₂ heterojuncties. Vandaar dat de ∆E _V van MoS₂ op ALD-HfO₂ met en zonder nitridatiebehandeling werden berekend op respectievelijk 2,09 ± 0,1 en 2,34 ± 0,1 eV.

een XPS-spectra van Mo 3d CL en valentieband voor de enkele laag MoS₂ . b XPS-spectra van Hf 4f CL en valentieband voor bulk HfO₂ . XPS-spectra van c Mo 3d, Hf 4f en d O 1s CL's voor overgedragen MoS₂ film op bulk HfO₂ met/zonder nitridatiebehandeling

Om de invloed van N₂ . te beoordelen plasmabehandeling op de geleidingsband-offset (CBO, ∆E _C ) tussen ALD-HfO₂ en enkele laag MoS₂ , de bandgaps van 5,9 ± 0,1 eV voor HfO₂ en 1,4 ± 0,1 eV voor MoS₂ werden hier respectievelijk gebruikt [7, 36]. De CBO kan dus worden bereikt door de volgende vergelijking:

waarbij \( {E}_g^{{\mathrm{HfO}}_2} \) en \( {E}_g^{\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_2} \) de bandgaps van HfO zijn ₂ en MoS₂ , respectievelijk. Volgens vgl. (2), de ∆E _C tussen MoS₂ en ALD-HfO₂ met en zonder nitridatiebehandeling werden berekend op respectievelijk 2,41 ± 0,1 en 2,16 ± 0,1 eV. De corresponderende banddiagrammen worden geïllustreerd in Fig. 4. Opmerkelijk is dat zowel de VBO- als CBO-waarden van deze twee heterojuncties uitstekende elektronen- en gatenopsluitingen bieden, waardoor ze geschikt zijn voor MoS₂ -gebaseerde FET's [37]. Bovendien heeft de genitreerde heterojunctie een hogere CBO in vergelijking met niet-genitreerde heterojunctie, wat beter is voor n-kanaals FET's-toepassingen.

Banddiagrammen van MoS₂ /HfO₂ heterojunctie a zonder nitridatiebehandeling en b met nitridatiebehandeling