MoS2/HfO2 인터페이스의 밴드 정렬에 대한 질화 조사

결과 및 토론

RENISHAW inVia Raman 분광법을 사용하여 소수층 MoS₂의 라만 스펙트럼을 특성화했습니다. 그림 1b와 같이 전사 절차 전후의 필름. 약 382.86 cm ⁻¹ 에서 두 개의 라만 피크를 볼 수 있습니다. 및 406.43 cm ⁻¹ , 평면 내(\( {E}_{2g}^1 \)) 및 평면 외(A _1g ) 모드, 각각 [25, 26]. \( {E}_{2g}^1 \) 및 A에서 라만 이동이 거의 없음을 발견했습니다. _1g 최소 구조 수정을 나타내는 전송 프로세스 후 모드 주파수. 주파수 차이(∆k ) \( {E}_{2g}^1 \)와 A 사이 _1g 모드는 약 23.57 cm ⁻¹ 로 추론되었습니다. , MoS₂의 약 4-5개 레이어 지정 영화 [27]. 그림 1b의 삽입도에서 볼 수 있듯이 MoS₂의 두께는 필름은 위에서 언급한 라만 스펙트럼과 일치하는 고해상도 투과 전자 현미경(HRTEM)에 의해 약 2.8 nm인 것으로 확인되었습니다. 또한 전송된 MoS₂의 SIMS 깊이 프로필을 제시했습니다. 질화 HfO₂의 필름 /Si 기판. SIMS 측정은 1 keV의 에너지에서 Cs 1차 이온빔을 사용하는 Physical Electronics ADEPT 1010 SIMS 기기에서 수행되었으며, 여기서 양이온이 수집되고 전하 보상이 수행되었습니다. 이 SIMS 측정에서 질소 원소는 정량화된 반면 다른 원소(Mo, Hf 및 Si)는 층 마커로만 의미되며 정량화되지 않았습니다. 그림 2a와 같이 전송된 MoS₂에 대한 깊이 프로파일 질화 HfO₂의 필름 /Si 기판은 Mo, N, Hf 및 Si로 표시되는 주요 성분의 신호가 깊이에 대해 플롯팅된 SIMS에 의해 결정되었습니다. HfO₂로 N의 확산 층이 관찰되었으며, 이는 1차 빔 폭격 또는 플라즈마 처리 동안 하부 층으로의 N 주입에 의해 흥미를 끌 수 있었습니다. 또한 표면층 근처의 깊이 프로파일은 표면 오염 및 표면 효과(예:표면 근처의 N 원소의 비정상적인 강도)로 인해 일반적으로 복잡하고 의미가 없습니다[28]. HfO₂ 근처의 N 프로파일의 더 높은 신호 /Si 계면은 질소가 HfO₂로 확산되는 경향이 있기 때문일 수 있습니다. /Si 인터페이스, 인터페이스 근처에 N 축적으로 이어진다[29]. HfO₂의 Mo 꼬리 필름은 주로 SIMS 측정에서 1차 빔 충격으로 인해 발생할 수 있습니다[30]. 도 2b는 샘플 3# 및 4#에 대한 각각의 N 1s XPS 스펙트럼을 예시하고; 두 이종 접합에 대한 고강도 피크는 Mo 3p_3/2 반면 ~ 395.80 eV의 저강도 피크는 질화 이종 접합에 대해 감지되어 Mo-N 결합의 형성을 나타냅니다[31].

아 전송된 MoS₂의 SIMS 깊이 프로필 질화 HfO₂의 필름 /Si 기판. ㄴ MoS₂에 대한 N 1s XPS 스펙트럼 /HfO₂ 질화 처리 유무에 따른 이종 접합

소수층 MoS₂ 사이의 밴드 정렬을 얻으려면 및 HfO₂ 질화 처리 유무에 관계없이 0.05 eV 단계의 XPS 측정은 단색 Al Kα X선 소스(hv =1486.6 eV)를 사용하여 VG ESCALAB 220i-XL 시스템에서 수행되었습니다. 일정한 통과 에너지는 20 eV로 설정되었습니다. 또한 표준 C 1s(284.8 eV)가 결합 에너지(BE) 보정에 사용되었습니다[32]. MoS₂에 대한 VBO 값을 평가하려면 /HfO₂ 이종 접합, Mo 3d 및 Hf 4f 코어 레벨(CL)이 샘플 1–4#에 대해 각각 선택되었습니다. 그림 3a는 샘플 1#[33]의 Mo 3d 및 가전자대 스펙트럼의 XPS 좁은 스캔을 나타냅니다. 따라서 Mo 3d_5/2 간의 결합 에너지 차이(BED) 샘플 1#에 대한 코어 레벨 및 가전자대 최대값(VBM)은 228.49 ± 0.1 eV로 계산되었습니다. 그림 3b는 Hf 4f_7/2의 CL을 보여줍니다. 및 샘플 2#에 대한 VBM; 해당 BED는 14.10 ± 0.1 eV로 결정되었습니다. 그림 3c는 MoS₂에 대한 Mo 3d 및 Hf 4f CL의 측정된 XPS 스펙트럼을 보여줍니다. /HfO₂ 질화 처리가 있거나 없는 이종 접합. Mo 3d_5/2 CL은 샘플 3#의 경우 229.45 ± 0.05 eV에서 샘플 4#의 경우 229.90 ± 0.05 eV로 이동했습니다. 이는 MoS₂에서 질화계면층이 도입되었기 때문일 수 있습니다. /HfO₂ 플라즈마 처리 후 계면이 손상되어 위에서 언급한 Mo-N 결합이 발생합니다. Mo-N 결합의 존재와 함께 Mo와 N 원소 사이의 결과적인 전하 이동은 측정된 Mo 3d_5/2에 기여했습니다. 씨엘 쉬프트. 또한 Hf 4f_7/2 샘플 3#에 대한 17.40 ± 0.05 eV의 CL은 샘플 4#에 대해 17.60 ± 0.05 eV의 더 높은 결합 에너지로 이동되었으며 O 1s도 그림 3d에 표시된 것처럼 더 높은 BED로 0.20 eV의 이동을 보여주었습니다. 이러한 피크 이동은 HfO₂에서 하향 밴드 굽힘을 의미합니다. 질소 플라즈마가 HfO₂에 대한 도너 유사 결함을 유도한 것으로 해석될 수 있는 표면 [34]. Kraut 방법[35]을 기반으로 하는 VBO(∆E _V ) 값은 다음 방정식에서 계산할 수 있습니다.

여기서 \( {E}_{\mathrm{Mo}\ 3{\mathrm{d}}_{5/2}}^{\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_2} \) 및 \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_2} \)는 Mo 3d_5/2의 결합 에너지입니다. MoS₂용 CL 및 VBM , \( {E}_{\mathrm{Hf}\ 4{\mathrm{f}}_{7/2}}^{{\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_2} \) 및 \( {E}_{\mathrm{VBM}}^{{\mathrm{HfO}}_2} \)는 Hf 4f_7/2의 결합 에너지입니다. ALD-HfO₂용 CL 및 VBM , ∆E _CL =\( {E}_{\mathrm{Mo}\ 3{\mathrm{d}}_{5/2}}^{\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_2}-{E}_ {\mathrm{Hf}\ 4{\mathrm{f}}_{7/2}}^{{\mathrm{Hf}\mathrm{O}}_2} \)는 Mo 3d _{사이의 BED를 나타냅니다. 5/2} 및 Hf 4f_7/2 ALD-HfO₂용 CL /MoS₂ 이종 접합. 따라서 ∆E _V 의 MoS₂ ALD-HfO₂에 질화 처리 유무는 각각 2.09 ± 0.1 및 2.34 ± 0.1 eV로 계산되었습니다.

아 Mo 3d CL의 XPS 스펙트럼 및 소수층 MoS₂에 대한 가전자대 . ㄴ Hf 4f CL의 XPS 스펙트럼 및 벌크 HfO₂에 대한 가전자대 . c의 XPS 스펙트럼 Mo 3d, Hf 4f 및 d 전송된 MoS₂에 대한 O 1s CL 벌크 HfO₂에 필름 질화 처리 유무에 관계없이

N₂의 영향을 평가하려면 전도대 오프셋에 대한 플라즈마 처리(CBO, ∆E _C ) ALD-HfO₂ 사이 및 소수 계층 MoS₂ , HfO₂에 대한 5.9 ± 0.1 eV의 밴드갭 MoS₂의 경우 1.4 ± 0.1 eV 여기에서 각각 사용되었다[7, 36]. 따라서 CBO는 다음 방정식으로 얻을 수 있습니다.

여기서 \( {E}_g^{{\mathrm{HfO}}_2} \) 및 \( {E}_g^{\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_2} \)는 HfO의 밴드갭입니다. ₂ 및 MoS₂ , 각각. 식에 따르면 (2) ∆E _C MoS₂ 사이 및 ALD-HfO₂ 질화 처리 유무는 각각 2.41 ± 0.1 및 2.16 ± 0.1 eV로 계산되었습니다. 해당 밴드 다이어그램은 그림 4에 나와 있습니다. 놀랍게도 이 두 이종 접합의 VBO 및 CBO 값은 모두 우수한 전자 및 정공 구속을 제공하여 MoS₂에 대한 적합성을 보장합니다. 기반 FET [37]. 더욱이, 질화 이종 접합은 질화되지 않은 이종 접합에 비해 더 높은 CBO를 가지므로 n-채널 FET 애플리케이션에 더 좋습니다.

MoS₂의 밴드 다이어그램 /HfO₂ 이종접합 a 질화 처리 없이 b 질화 처리