Selectieve groei van WSe2 met grafeencontacten

Abstract

Nano-elektronica van tweedimensionale (2D) materialen en aanverwante toepassingen wordt gehinderd door kritieke contactproblemen met de halfgeleidende monolagen. Om deze problemen op te lossen, is een fundamentele uitdaging 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 een hoge groeitemperatuur is vereist. Hier gebruiken we seeding-promotor en lagedruk-CVD-proces om sequentiële WSe₂ te verbeteren groei met een verlaagde groeitemperatuur van 800 °C voor verminderde samenstellingsfluctuaties en hoge hetero-interface kwaliteit. Groeigedrag van de sequentiële WSe₂ groei aan de rand van patroongrafeen wordt besproken. Met geoptimaliseerde groeiomstandigheden, hoogwaardige interface van de lateraal gestikte WSe₂ -grafeen wordt bereikt en gekarakteriseerd met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Apparaatfabricage en elektronische prestaties van de lateraal gestikte WSe₂ -grafeen worden gepresenteerd.

Inleiding

Monolaag-van der Waals-materialen, zoals grafeen en overgangsmetaaldichalcogenide (TMD), vertonen uitstekende elektronische prestaties en een atomair dik lichaam zonder bungelende bindingen aan het oppervlak, wat mogelijke oplossingen biedt voor de fundamentele limiet van kanaalmaterialen in de wet van Moore, zoals korte kanaal effecten en verschillende uitdagingen in de opschaling [1, 2]. In het afgelopen decennium wordt nano-elektronica van tweedimensionale (2D) materialen en gerelateerde toepassingen sterk gehinderd door kritieke contactproblemen met de halfgeleidende TMD-monolagen als gevolg van een significant Fermi-niveau pinning-effect van de defecten die betrokken zijn bij de synthetische, fabricage- en integratieprocessen [ 3,4,5,6]. Aanzienlijke inspanningen, waaronder fase-engineering van de kanaalmaterialen (van halfgeleidende 1H-fase tot geleidende 1T-fase) [7], geometrie van contacten [8,9,10,11] en interface-engineering met grafeenbufferlaag [12, 13], worden uitgevoerd voor essentiële elektronische prestaties met verbeterde contacteigenschappen.

Onlangs is de integratie van geleidend grafeen en halfgeleidend TMD voor verbeterde contacten en nieuwe eigenschappen gerealiseerd door directe groei van TMD met behulp van chemische dampafzetting aan de rand van kunstmatig gevormd grafeen [14,15,16,17,18,19,20,21] . Heterojuncties tussen verschillende 2D-materialen maken essentiële multifunctionaliteit van de monolaagkanalen mogelijk voor een bredere capaciteit en integratie [22,23,24,25,26,27]. Zwakke tunnelbarrière wordt bereikt op de heterojunctie van de lateraal gestikte MoS₂ -grafeen, waardoor inverter en negatieve-AND (NAND)-poorten mogelijk zijn voor een complete set logische circuits op basis van 2D-materialen [16, 17]. Het volgende essentiële doel is het realiseren van elektronische basiseenheden van complementaire metaaloxide-halfgeleider (CMOS)-omvormers en andere logische circuits met schaalbare 2D-materialen. Om dit doel te bereiken, blijft het echter een langdurige uitdaging om selectieve en controleerbare fabricage van p-type of ambipolaire transistors met een lage Schottky-barrière [28]. De meeste p-type transistors worden gedemonstreerd met wolfraamseleniden (WSe₂ ) maar een hoge temperatuur is vereist voor de WSe₂ groei door hogere verdampingstemperatuur van de WO₃ voorloper [29,30,31]. Een synthese bij lage temperatuur van de opeenvolgende monolaaggroei bij de voorgevormde 2D-materialen wordt voornamelijk bereikt met op Mo gebaseerde TMD.

Hier gebruiken we seeding-promotor en lagedruk-CVD-proces om sequentiële WSe₂ te verbeteren groei met een verlaagde groeitemperatuur voor verminderde samenstellingsfluctuaties en hoge hetero-interfacekwaliteit [32, 33]. Groeigedrag van de sequentiële WSe₂ groei aan de rand van patroongrafeen wordt besproken. Met geoptimaliseerde groeiomstandigheden, hoogwaardige interface van de lateraal gestikte WSe₂ -grafeen wordt bereikt en bestudeerd met TEM. Apparaatfabricage en elektronische prestaties van de lateraal gestikte WSe₂ -grafeen worden gepresenteerd.

Methode/experimenteel

Synthese van WSe₂ en grafeen

WSE met groot oppervlak₂ films werden gesynthetiseerd op saffier en SiO₂ /Si-substraten in de oven. Vóór het groeiproces werden de substraten respectievelijk 10 min gereinigd met aceton, isopropanol en vervolgens water. Peryleen-3,4,9,10-tetracarbonzuurtetrakaliumzout (PTAS) werd uniform op het substraatoppervlak aangebracht als kiembevorderaars om de activiteit en groeisnelheid van de monolagen te verhogen. Hoge zuiverheid vaste voorlopers van WO₃ (Alfa Aesar, 99,9995% CAS#1313-27-5) en Se (Sigma-Aldrich, 99,5% CAS#7704-34-9) werden in twee keramische smeltkroezen geplaatst en de substraten werden met de beeldzijde naar boven en naast de WO geplaatst ₃ poeder. De WSe₂ monsters werden gesynthetiseerd tijdens 800~900 °C gedurende 10 min met een verwarmingssnelheid van 30 °C min⁻¹ en onder een mengsel van N₂ /H₂ stroom bij 1,2 Torr. Grafeen wordt gesynthetiseerd op Cu-folie bij 1000 °C gedurende 10 min met een verwarmingssnelheid van 30 °C min⁻¹ en onder een mengsel van CH₄ /H₂ stroom bij 4 Torr. Het patroon grafeen wordt uitgevoerd door e-beam lithografie en zuurstof plasma-etsen.

Apparaatfabricage

De grafeen-WSe₂ apparaten werden gefabriceerd zonder monsteroverdracht. E-beam lithografieproces werd uitgevoerd om de elektroden op de van een patroon voorziene grafeenlaag te definiëren. Een dunne metaallaag van Pd (40 nm) werd afgezet met behulp van e-beam-verdamping en een volgend lift-off-proces werd uitgevoerd in aceton. Inkapselingslaag en poortdiëlektricum van het apparaat worden vervaardigd met behulp van atomaire laagafzetting (ALD) van dun Al₂ O₃ films (50 nm). Een dun metaal van Pd (40 nm) werd op de diëlektrische laag afgezet om als poortelektroden te gebruiken. Om de elektronische prestaties te verbeteren, worden de apparaten gegloeid bij ~ 120 °C gedurende ~ 12 h in een vacuümomgeving van ~ 10⁻⁵ Torr.

Karakteriseringen

Raman-spectra en fotoluminescentie (PL) werden verkregen door commerciële confocale Raman-spectroscopie (Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). Golflengte en puntgrootte van de laser zijn respectievelijk 532 nm en 1-2 m. Typische roosters werden gebruikt met 300 g/mm voor PL (lage resolutie) om breedbandspectrum te krijgen en (hoge resolutie) 1800 g/mm voor Raman-signalen om gedetailleerde informatie over materiaal te krijgen. De TEM-monsters werden bereid met behulp van standaard PMMA-overdrachtstechniek om de grafeen-WSe₂ te plaatsen nanosheets op het holle koolstof Cu-raster. De TEM-beelden werden uitgevoerd bij een acceleratiespanning van 80 kV (Cs-gecorrigeerde STEM, JEOL, JEM-ARM200F). De elektrische metingen zijn gemeten met een Agilent B1500a Semiconductor Device Analyzer.

Resultaten en discussie

Om de synthese van de laterale heterojunctie van grafeen en WSe₂ . te regelen , opeenvolgende groei van de monolaag TMD aan de grafeenranden wordt aangetoond in figuur 1a. Monolaag grafeen wordt eerst gekweekt op een koperfolie en later overgebracht op een vers saffiersubstraat met behulp van de standaard PMMA-ondersteunde overdrachtsmethode. Conventionele e-beam lithografie en O₂ plasma-etsprocessen worden uitgevoerd om het gebied voor opeenvolgende groei van de monolaag WSe₂ te definiëren . Directe synthese van monolaag WSe₂ aan de randen van patroongrafeen op saffiersubstraat wordt bereikt door lage druk CVD met PTAS als seeding-promotors. Meer gedetailleerde informatie over de synthese wordt beschreven in de sectie "Methode/Experimenteel". In Fig. 1b, Raman-toewijzing van de G'-band in het lateraal gestikte grafeen-WSe₂ vertoont een uniform contrast, wat een verminderde beschadiging van het vooraf gevormde grafeen bevestigt na de sequentiële CVD-synthese van de WSe₂ groei. In Fig. 1c, AFM-beeld van de patroongroei van de grafeen-WSe₂ geeft een gladde oppervlaktemorfologie van de monolaag heterojunctie aan. Afbeelding 1d toont de Raman-spectra van de E_2g modus (WSe₂ -blauw) en de G'-band (grafeen-groen) als de labels in Fig. 1c, die consistent zijn met de gerapporteerde onderzoeken [34]. Om de uniformiteit van de as-grown heterojunctie te illustreren, Raman-mapping van het patroongrafeen-WSe₂ wordt getoond in respectievelijk Fig. 1 e en f. Een uniform contrast van de Raman-intensiteit in de afbeeldingsafbeeldingen wordt duidelijk waargenomen, wat wijst op een beheersbare synthese op heterogene groei van hoogwaardige monolaag WSe₂ aan de randen van het voorgevormde grafeen.

Gecontroleerde groei van de Wse₂ bij patroongrafeen. een Schema van de lateraal gestikte WSe₂ -grafeen synthese. b Raman-mapping voor de G'-band van het grafeen en c AFM-beeld van de patroongroei van de Wse₂ -grafeen. d Raman-spectra van de E_2g modus (WSe₂ —blauw) en de G’-band (grafeen—groen) in c . Raman-toewijzing van e de E_2g modus van de Wse₂ en f de G'-band van het grafeen in de monolaag heterojunctie

Om het groeigedrag van het gestikte grafeen-TMD te verduidelijken, heeft de WSe₂ synthese op het patroongrafeen wordt uitgevoerd met en zonder promotors. Afbeelding 2a en b suggereren de Wse₂ groei bij verschillende temperaturen zonder PTAS als kiempromotor. Boven 850 °C is de opeenvolgende groei van de WSe₂ verschijnt aan de randen van het grafeen. Een hoge groeitemperatuur voor Wse₂ groei is vereist vanwege verminderde gasvormige reactanten voor de vaste voorloper van de WO₃ , zoals uitgewerkt in eerdere artikelen [29,30,31]. Een macroscopisch gladde grens van de as-grown WSe₂ impliceert willekeurig verdeelde en kleine korrels. De sequentiële WSe₂ . daarentegen groei bij verschillende temperaturen met PTAS als zaaipromotor wordt weergegeven in Fig. 2 c en d. De PTAS-promotors verlagen de groeitemperatuur aanzienlijk voor een perfecte sequentiële WSe₂ groei aan de grafeenranden met grotere domeingroottes, wat vergelijkbaar is met het groeigedrag in de TMD-TMD heterojuncties [22]. Na de opeenvolgende WSe₂ groei bij 800 ° C, observatie van een uniform contrast en hogere intensiteit in Raman-kartering van de G'-band (grafeen) duidt op een verminderde schade aan het grafeen vanwege de lage temperatuurgroei. Bij verhoogde temperatuur, een continue WSe₂ film vult de patroongebieden in met ideaal contact met de randen van het patroongrafeen (figuur 2d). Merk op dat een grotere domeingrootte met een duidelijke driehoekige vorm van de monolaag WSe₂ gestikt aan de randen van het grafeen (Fig. 2c), wat duidt op een betere kwaliteit van de sequentiële WSe₂ groei. Met geoptimaliseerde groeiomstandigheden op seeding-promotors en temperatuur, schaalbare en hoogwaardige monolaag WSe₂ wordt gerealiseerd door het LPCVD-systeem zoals weergegeven in de ondersteunende informatie (aanvullend bestand 1:Afbeelding S1). Het is opmerkelijk dat de sequentiële TMD-synthese aan de randen van patroongrafeen universeel wordt waargenomen in andere heterojuncties van verschillende TMD en grafeen, zoals weergegeven in de ondersteunende informatie (aanvullend bestand 1:figuur S2).

Temperatuurafhankelijke Wse₂ groei met seeding-promotor:optische afbeeldingen, Raman-afbeeldingen van de A_1g modus (WSe₂ ) en de G'-band (grafeen) van de samples die bij verschillende temperaturen worden gesynthetiseerd a , b zonder en c , d met PTAS als seeding promotor

Om de heterojunctie van de WSe₂ . verder te onderzoeken -grafeen, meting met hoge resolutie transmissie-elektronenmicroscopie (HRTEM) wordt uitgevoerd. In Fig. 3a geeft de TEM-afbeelding van het geselecteerde gebied aan dat het overlapgebied tussen zwarte (grafeenuiteinde) en groene (TMD-uiteinde) stippellijnen is samengesteld uit het vooraf gevormde grafeen en de sequentieel gegroeide WSe₂ monolaag. Breedte van het overlappende gebied is ongeveer 500 nm. Een amorf-achtig TEM-beeld voor het grafeenrooster wordt zoals verwacht waargenomen vanwege onvermijdelijke vervormingen van grafeen met de energetische elektronenstraal. Figuur 3 c en d presenteren de berekende en experimentele observatie op het HRTEM-beeld voor een beter begrip van de sequentiële TMD-groei op de heterojunctie. Observatie van hexagonale roosters en eenheidscel van grafeen (~ 2.5 Å) en WSe₂ (~ 3.3 Å) komt overeen met de parameters in bulkroosters van grafeen (2.46 Å) en WSe₂ (3,28 Å). De TEM-karakteriseringen geven aan dat de opeenvolgende WSe₂ groei begint aan de randen van het voorgevormde grafeen omdat een hogere defectdichtheid aan de grafeenrand de verticale eilandgroei verbetert met meer nucleatieplaatsen. Een grote roostermismatch van meer dan 20% tussen het rooster van grafeen en TMD kan verantwoordelijk zijn voor een stoornisinterface met een hogere defectdichtheid en voor gecombineerde verticale en laterale TMD-groei op de heterojunctie. Bovendien tonen de inzetstukken in figuur 3d de overeenkomstige diffractogrammen door snelle Fourier-transformatie (FFT) van atomaire afbeeldingen in de echte ruimte in het overlapgebied en het grafeengebied. Er wordt slechts één set diffractiepatroon waargenomen in het grafeengebied (links), terwijl twee sets diffractiepatronen geroteerd met een draaihoek van 0,35° worden waargenomen in het overlappende gebied (rechts). Een sterk verminderde draaihoek tussen grafeen en WSe₂ roosters houdt in dat de opeenvolgende groei van de WSe₂ is voorstander van coherente stapeling aan de randen van grafeen.

TEM-karakterisering van heterojunctie van het lateraal gestikte grafeen-WSe₂ . een Afbeelding met lage vergroting, b schematische illustraties, c gesimuleerd, en d waargenomen HRTEM-beelden van de heterojunctie van de grafeen-WSe₂ . De rechter inzet toont FFT-afbeelding van het overlapgebied van de gestapelde WSe₂ op grafeen, terwijl de linker inzet die van het grafeen weergeeft. Raman-toewijzing van e de E_2g modus van de Wse₂ en f de G'-band van het grafeen in de monolaag heterojunctie

Om de veldeffecteigenschappen van de as-grown Wse₂ . te demonstreren gestikt aan de randen van een grafeen hetero-apparaat met patroon, is het apparaat gefabriceerd zonder monsteroverdracht. Op maat gemaakt fabricageproces op basis van oppervlaktefunctionaliteit voor e-beam lithografie op een isolator wordt ontwikkeld. Elektronische transportprestaties van de gestikte grafeen-WSe₂ apparaat wordt bestudeerd door metalen elektroden (Pd 40 nm) te verbinden met het patroongrafeen en Al₂ af te zetten O₃ (50 nm) als poortdiëlektricum. Figuur 4 a en b tonen respectievelijk de schematische illustratie van het heterojunctie-apparaat met toppoort en het optische beeld van het als gefabriceerde apparaat. Elektronische transportmetingen met twee terminals worden uitgevoerd met behulp van een commercieel sondestation (Lake Shore Cryotronics PS-100 met Agilent B1500a) onder vacuüm bij kamertemperatuur. De overdrachtscurve van het apparaat vertoont een p-type transportgedrag met een aan/uit-verhouding (~ 10⁴ ) en een hoge aan-stroom van ongeveer een paar 100 nA (Fig. 4c). De veldeffectmobiliteit van het apparaat in het lineaire gebied is ongeveer 0,07 cm² /Vs bij V _d = 2 V, die wordt geëvalueerd met behulp van de volgende vergelijking:

$$ \mu =\frac{1}{C_{\mathrm{ox}}}\frac{L}{W}\frac{\partial {I}_{\mathrm{D}}}{\partial {V }_{\mathrm{G}}}\frac{1}{V_{\mathrm{D}}} $$ (1)

waar C _os = ε ₀ ε _r /d is de oxidecapaciteit en L (9 m) en W (24 m) zijn respectievelijk de kanaallengte en kanaalbreedte. Bovendien worden de uitgangscurven van het apparaat bij verschillende poortspanningen getoond in figuur 4d. De lineaire I -V curven bevestigen een goed contact tussen grafeenlaag en WSE₂ laag. Een verbeterde elektronische prestatie van de gestikte TMD-grafeen monolaag heterojuncties wordt bereikt vanwege verbeterde contacteigenschappen, wat suggereert dat de synthese voor sequentiële TMD-groei aan de randen van kunstmatig patroongrafeen een belangrijke stap in de richting van 2D-nano-elektronica zet.

Elektronische prestaties van de Wse₂ met gestikte grafeencontacten. een Het schema, b het optische beeld, c de overdrachtscurve, en d outputcurves van het monolayer heterojunction-apparaat van de gestikte grafeen-WSe₂

Conclusies

Sequentiële WSe₂ groei aan de randen van het van een patroon voorziene grafeen wordt bereikt op saffier met behulp van promotor-geassisteerde LPCVD. De PTAS-promoters verlagen de groeitemperatuur aanzienlijk voor een ideale sequentiële WSe₂ groei aan de grafeenranden met grotere domeingroottes.

De TEM-karakteriseringen geven aan dat de opeenvolgende WSe₂ groei begint aan de randen van het voorgevormde grafeen. Een sterk verminderde draaihoek tussen grafeen en WSe₂ roosters houdt in dat de opeenvolgende WSe₂ groei bevordert coherente stapeling aan de grafeenranden. Een verbeterde elektronische prestatie van de gestikte TMD-grafeen monolaag heterojuncties wordt bereikt dankzij verbeterde contacteigenschappen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens die tijdens dit onderzoek zijn gegenereerd of geanalyseerd, zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel en de aanvullende informatiebestanden.