Gecontroleerde laagtemperaturgroei van WSe₂ op grafene voor efficiënte p-type transistors

Samenvatting

Nano-elektronica van tweedimensionale (2D) materialen en gerelateerde toepassingen worden belemmerd door kritische contactproblemen met halfgeleidende monolagen. Een fundamentele uitdaging is de selectieve en controleerbare fabricage van p-type of ambipolaire transistors met een lage Schottky-barrière. De meeste p-type transistors worden gedemonstreerd met wolfraamseleniden (WSe₂), maar vereisen een hoge groeitemperatuur. Hier gebruiken we een zaaidingspromotor en een laagdruk CVD-proces om de sequentiële WSe₂-groei te verbeteren met een verlaagde groeitemperatuur van 800 °C voor verminderde compositievariaties en een hoge hetero-interfacekwaliteit. Het groeigedrag van de sequentiële WSe₂-groei aan de rand van gepatronneerde grafene wordt besproken. Met geoptimaliseerde groeicondities wordt een hoogwaardige interface van de lateraal gestichte WSe₂-grafene bereikt en gekarakteriseerd met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Toestelfabricatie en elektronische prestaties van de lateraal gestichte WSe₂-grafene worden gepresenteerd.

Inleiding

Monolagen van van der Waals-materialen, zoals grafene en overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD), vertonen uitstekende elektronische prestaties en een atoomaagdikke structuur zonder hangende bindingen aan het oppervlak. Dit biedt potentiële oplossingen voor de fundamentele grenzen van kanaalmaterialen in de wet van Moore, zoals korte-kanaleffecten en diverse uitdagingen bij de miniaturisatie. In het afgelopen decennium wordt de nano-elektronica van 2D-materialen sterk belemmerd door kritische contactproblemen met halfgeleidende TMD-monolagen vanwege een significante Fermi-niveau-pinning door defecten in synthetische, fabricage- en integratieprocessen. Aanzienlijke inspanningen, waaronder fase-engineering van kanaalmaterialen (van halfgeleidende 1H-fase naar geleidende 1T-fase), contactgeometrie en interface-engineering met een grafene-bufferlaag, zijn ondernomen om essentiële elektronische prestaties met verbeterde contacteigenschappen te bereiken.

Onlangs is de integratie van geleidende grafene en halfgeleidende TMD voor verbeterde contacten en nieuwe eigenschappen gerealiseerd door directe groei van TMD met chemische dampafstelling aan de rand van kunstmatig gepatronneerde grafene. Heterojuncties tussen verschillende 2D-materialen maken essentiële multifunctionaliteit van monolagkanalen mogelijk voor bredere capaciteit en integratie. Een zwakke tunnelbarrière wordt bereikt aan de heterojunctie van lateraal gestichte MoS₂-grafene, wat invertors en negatieve-AND (NAND) poorten mogelijk maakt voor een complete set logische circuits gebaseerd op 2D-materialen. Het volgende essentiële doel is het realiseren van basiselektronische eenheden van complementaire metal-oxide-semiconductor (CMOS) invertors en andere logische circuits met schaalbare 2D-materialen. Naar dit doel blijft het echter een langdurige uitdaging om selectieve en controleerbare fabricage van p-type of ambipolaire transistors met een lage Schottky-barrière te realiseren. De meeste p-type transistors worden gedemonstreerd met wolfraamseleniden (WSe₂), maar een hoge temperatuur is vereist voor de WSe₂-groei vanwege een hogere verdampingstemperatuur van de WO₃-voorloper. Een laagtemperatuursynthese van de sequentiële monolaggroei aan voorgepatronneerde 2D-materialen wordt voornamelijk bereikt met Mo-gebaseerde TMD.

Hier gebruiken we een zaaidingspromotor en een laagdruk CVD-proces om de sequentiële WSe₂-groei te verbeteren met een verlaagde groeitemperatuur voor verminderde compositievariaties en een hoge hetero-interfacekwaliteit. Het groeigedrag van de sequentiële WSe₂-groei aan de rand van gepatronneerde grafene wordt besproken. Met geoptimaliseerde groeicondities wordt een hoogwaardige interface van de lateraal gestichte WSe₂-grafene bereikt en bestudeerd met TEM. Toestelfabricatie en elektronische prestaties van de lateraal gestichte WSe₂-grafene worden gepresenteerd.

Methode/Experimenteel

Synthese van WSe₂ en grafene

Grootvlakke WSe₂-lagen werden gesynthetiseerd op safier- en SiO₂/Si-substraten in de oven. Vóór het groeiproces werden de substraten gereinigd met aceton, isopropanol en water gedurende respectievelijk 10 minuten. Peryleen-3,4,9,10-tetracarbonsuur tetrakaliumzout (PTAS) werd uniform op het substratoppervlak aangebracht als zaaidingspromotor om de activiteit en groeisnelheid van de monolagen te verhogen. Hoge zuiverheid vaste voorlopers van WO₃ (Alfa Aesar, 99,9995%) en Se (Sigma-Aldrich, 99,5%) werden in twee keramische crisolen geplaatst, en de substraten werden met de voorkant naar boven naast het WO₃-poeder geplaatst. De WSe₂-monsters werden gesynthetiseerd tijdens 800-900 °C gedurende 10 minuten met een verwarmingssnelheid van 30 °C min⁻¹ en onder een mengsel van N₂/H₂-stroom bij 1,2 Torr. Grafene wordt gesynthetiseerd op koperfolie bij 1000 °C gedurende 10 minuten met een verwarmingssnelheid van 30 °C min⁻¹ en onder een mengsel van CH₄/H₂-stroom bij 4 Torr. Het patroon grafene wordt uitgevoerd door e-bundellithografie en zuurstofplasma-etching.

Toestelfabricatie

De grafene-WSe₂-toestellen werden gefabriceerd zonder monstertransfer. Een e-bundellithografieproces werd uitgevoerd om de elektroden op de gepatronneerde grafene-laag te definiëren. Een dunne metaallaag van Pd (40 nm) werd gedeponeerd met e-bundelverdamping en een daaropvolgende lift-off-proces werd uitgevoerd in aceton. De encapsulatielaag en gate-dielektrische laag van het toestel worden gefabriceerd door atoomaagschedeling (ALD) van dunne Al₂O₃-lagen (50 nm). Een dunne metaallaag van Pd (40 nm) werd op de dielektrische laag gedeponeerd om te dienen als gate-elektroden. Om de elektronische prestaties te verbeteren, worden de toestellen geanneald bij ~120 °C gedurende ~12 uur in een vacuümomgeving van ~10⁻⁵ Torr.

Karakterisaties

Ramanspectra en fotoluminescentie (PL) werden verkregen met commerciële confocale Ramanspectroscopie (Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). Golflengte en spotgrootte van de laser zijn 532 nm en 1-2 μm respectievelijk. Typische roosters werden gebruikt met 300 g/mm voor PL (lage resolutie) om een breedbandspectrum te verkrijgen en (hoge resolutie) 1800 g/mm voor Ramansignalen om gedetailleerde informatie over het materiaal te verkrijgen. De TEM-monsters werden voorbereid met de standaard PMMA-transfertechniek om de grafene-WSe₂-nanosheets op het doorlochkoperrooster te plaatsen. De TEM-beelden werden verkregen bij een versnellingsspanning van 80 kV (Cs-gecorrigeerde STEM, JEOL, JEM-ARM200F). De elektrische metingen werden uitgevoerd met een Agilent B1500a Semiconductor Device Analyzer.

Resultaten en Discussie

Om de synthese van de laterale heterojunctie van grafene en WSe₂ te controleren, wordt de sequentiële groei van de monolag TMD aan de grafene-randen gedemonstreerd in Fig. 1a. Monolag grafene wordt eerst gegroeid op koperfolie en later overgedragen op een vers safiersubstraat met behulp van de standaard PMMA-geassisteerde transfermethode. Conventionele e-bundellithografie en O₂-plasma-etchingprocessen worden uitgevoerd om de regio voor sequentiële groei van de monolag WSe₂ te definiëren. Directe synthese van monolag WSe₂ aan de randen van gepatronneerde grafene op safiersubstraat wordt bereikt door laagdruk CVD met PTAS als zaaidingspromotoren. Meer gedetailleerde informatie over de synthese wordt beschreven in de sectie "Methode/Experimenteel". In Fig. 1b toont de Raman-mapping van de G'-band in de lateraal gestichte grafene-WSe₂ een uniform contrast, wat een verminderde schade van de voorgepatronneerde grafene na de sequentiële CVD-synthese van de WSe₂-groei bevestigt. In Fig. 1c duidt een AFM-beeld van de gepatronneerde groei van de grafene-WSe₂ op een gladde oppervlaktemorfologie van de monolagheterojunctie. Figuur 1d presenteert de Ramanspectra van de E₂g-modus (WSe₂-blauw) en de G'-band (grafene-groen) als de labels in Fig. 1c, wat consistent is met gerapporteerde studies. Om de uniformiteit van de as-groeigeheterojunctie te illustreren, wordt de Raman-mapping van de gepatronneerde grafene-WSe₂ getoond in Fig. 1e en f respectievelijk. Een uniform contrast van de Raman-intensiteit in de mapping-beelden wordt duidelijk waargenomen, wat controleerbare synthese van hoogwaardige monolag WSe₂ aan de randen van de voorgepatronneerde grafene suggereert.

Om het groeigedrag van de gestichte grafene-TMD te verduidelijken, wordt de WSe₂-synthese aan de gepatronneerde grafene uitgevoerd met en zonder promotoren. Figuur 2a en b suggereren de WSe₂-groei bij verschillende temperaturen zonder PTAS als zaaidingspromotor. Boven 850 °C verschijnt de sequentiële groei van de WSe₂ aan de grafene-randen. Een hoge groeitemperatuur voor WSe₂-groei is vereist vanwege verminderde gasvormige reactanten voor de vaste voorloper WO₃, zoals uitgebreid in eerdere artikelen. Een macroscopisch gladde grens van de as-groeide WSe₂ impliceert willekeurig verdeelde en kleine graankorrels. In tegenstelling hiermee wordt de sequentiële WSe₂-groei bij verschillende temperaturen met PTAS als zaaidingspromotor gepresenteerd in Fig. 2c en d. De PTAS-promotoren verlagen de groeitemperatuur aanzienlijk voor perfecte sequentiële WSe₂-groei aan de grafene-randen met grotere domeingroottes, wat vergelijkbaar is met het groeigedrag in TMD-TMD-heterojuncties. Na de sequentiële WSe₂-groei bij 800 °C duidt de waarneming van een uniform contrast en hogere intensiteit in de Raman-mapping van de G'-band (grafene) op een verminderde schade van de grafene door de laagtemperatuurgroei. Met verhoogde temperatuur vult een continu WSe₂-film de gepatronneerde regio's met ideaal contact aan de randen van de gepatronneerde grafene (Fig. 2d). Het is opvallend dat een grotere domeingrootte met een duidelijke driehoekige vorm van de monolag WSe₂ gesticht aan de randen van de grafene (Fig. 2c), wat een betere kwaliteit van de sequentiële WSe₂-groei suggereert. Met geoptimaliseerde groeicondities op zaaidingspromotoren en temperatuur wordt schaalbare en hoogwaardige monolag WSe₂ gerealiseerd door het LPCVD-systeem zoals gepresenteerd in de ondersteunende informatie. Het is de moeite waard op te merken dat de sequentiële TMD-synthese aan de randen van gepatronneerde grafene universeel wordt waargenomen in andere heterojuncties van verschillende TMD en grafene zoals getoond in de ondersteunende informatie.

Om de heterojunctie van de WSe₂-grafene verder te onderzoeken, wordt een meting met hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) uitgevoerd. In Fig. 3a duidt een geselecteerd gebied TEM-beeld aan dat het overlapprood tussen zwarte (grafene-einde) en groene (TMD-einde) stipellijnen samengesteld is uit de voorgepatronneerde grafene en de sequentieel gegroeide WSe₂-monolag. De breedte van het overlapprood is ongeveer 500 nm. Een amorf-achtig TEM-beeld voor het grafene-rooster wordt waargenomen zoals verwacht vanwege onvermijdelijke vervormingen van grafene met de energierijke elektronenbundel. Figuur 3c en d presenteren de berekende en experimentele waarneming op het HRTEM-beeld voor een beter begrip van de sequentiële TMD-groei aan de heterojunctie. Waarneming van hexagonale roosters en eenheidscel van grafene (~2,5 Å) en WSe₂ (~3,3 Å) is consistent met de parameters in bulkroosters van grafene (2,46 Å) en WSe₂ (3,28 Å). De TEM-karakterisaties geven aan dat de sequentiële WSe₂-groei initieert aan de randen van de voorgepatronneerde grafene omdat een hogere defectdichtheid aan de grafene-rand de verticale eilandgroei verbetert met meer nucleatieplaatsen. Een grote roostermismatch van meer dan 20% tussen het rooster van grafene en TMD kan verantwoordelijk zijn voor een onordelijke interface met hogere defectdichtheid en voor gecombineerde verticale en laterale TMD-groei aan de heterojunctie. Bovendien tonen de insets in Fig. 3d de bijbehorende diffractogrammen door snelle Fourier-transformatie (FFT) van real-space atomaire beelden in het overlapprood en het grafene-gedeelte. Slechts één set diffractiepatroon wordt waargenomen in het grafene-gedeelte (links), terwijl twee sets diffractiepatronen gedraaid met een draaihoek van 0,35° worden waargenomen in het overlapprood (rechts). Een sterk verlaagde draaihoek tussen grafene- en WSe₂-roosters impliceert dat de sequentiële groei van de WSe₂ coherente stapeling aan de grafene-randen begunstigt.

Om de veld-effecteigenschappen van de as-groeide WSe₂ gesticht aan de randen van gepatronneerde grafene-heterotoestellen te demonstreren, wordt het toestel gefabriceerd zonder monstertransfer. Een aangepast fabricageproces gebaseerd op oppervlaktefunctionaliteit voor e-bundellithografie op een isolator wordt ontwikkeld. De elektronische transportprestaties van de gestichte grafene-WSe₂-toestellen worden bestudeerd door metaalelektroden (Pd 40 nm) te verbinden met de gepatronneerde grafene en Al₂O₃ (50 nm) te depositeren als gate-dielektrische laag. Figuur 4a en b tonen de schematische illustratie van het top-gated heterojunctietoestel en het optische beeld van het as-gefabriceerde toestel respectievelijk. Twee-terminals elektronische transportmetingen worden uitgevoerd met een commerciële probestation (Lake Shore Cryotronics PS-100 met Agilent B1500a) onder vacuüm bij kamertemperatuur. De overdraagcurve van het toestel vertoont een p-type transportgedrag met een aan/uit-verhouding (~10⁴) en een hoge aan-stroom van ongeveer enkele honderden nA (Fig. 4c). De veld-effectmobiliteit van het toestel in het lineaire gebied is ongeveer 0,07 cm²/Vs bij V_d = 2 V, wat geëvalueerd wordt met de volgende vergelijking:

μ = (1/C_ox) * (L/W) * (∂I_D/∂V_G) * (1/V_D)

waarbij C_ox = ε₀ε_r/d de oxidecapaciteit is en L (9 μm) en W (24 μm) de kanallengte en kanaalbreedte respectievelijk. Bovendien worden de uitgangscurven van het toestel bij verschillende gate-spanningen getoond in Fig. 4d. De lineaire I-V-curves bevestigen een goed contact tussen de grafene-laag en de WSe₂-laag. Een verbeterde elektronische prestatie van de gestichte TMD-grafene monolagheterojuncties wordt bereikt vanwege verbeterde contacteigenschappen, wat suggereert dat de synthese voor sequentiële TMD-groei aan de randen van kunstmatig gepatronneerde grafene een significante stap voorwaarts is voor 2D-nano-elektronica.

Conclusies

Sequentiële WSe₂-groei aan de randen van de gepatronneerde grafene wordt bereikt op safier door promotor-geassisteerde LPCVD. De PTAS-promotoren verlagen de groeitemperatuur aanzienlijk voor ideale sequentiële WSe₂-groei aan de grafene-randen met grotere domeingroottes.

De TEM-karakterisaties geven aan dat de sequentiële WSe₂-groei initieert aan de randen van de voorgepatronneerde grafene. Een sterk verlaagde draaihoek tussen grafene- en WSe₂-roosters impliceert dat de sequentiële WSe₂-groei cohorente stapeling aan de grafene-randen begunstigt. Een verbeterde elektronische prestatie van de gestichte TMD-grafene monolagheterojuncties wordt bereikt vanwege verbeterde contacteigenschappen.