그래핀 접촉을 통한 WSe2의 선택적 성장

초록

2차원(2D) 재료의 나노일렉트로닉스 및 관련 응용 분야는 반도체 단층과의 중요한 접촉 문제로 인해 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 근본적인 과제는 쇼트키 장벽이 낮은 p형 또는 양극성 트랜지스터의 선택적이고 제어 가능한 제조입니다. 대부분의 p형 트랜지스터는 텅스텐 셀렌화물(WSe₂ ) 그러나 높은 성장 온도가 필요합니다. 여기에서 순차 WSe₂를 향상시키기 위해 시딩 촉진제와 저압 CVD 공정을 사용합니다. 조성 변동 감소 및 높은 이종 계면 품질을 위해 800 °C의 감소된 성장 온도로 성장. 순차 WSe₂의 성장 동작 패턴화된 그래핀의 가장자리에서의 성장에 대해 논의합니다. 최적화된 성장 조건으로 측면 스티치 WSe₂의 고품질 인터페이스 -그래핀은 투과 전자 현미경(TEM)으로 달성되고 특성화됩니다. 측면 스티치 WSe₂의 장치 제작 및 전자 성능 -그래핀이 제시됩니다.

소개

그래핀 및 전이금속 디칼코게나이드(TMD)와 같은 단층 반데르발스 재료는 표면에 댕글링 본드가 없는 원자적으로 두꺼운 몸체와 우수한 전자 성능을 나타내므로 단채널과 같은 무어의 법칙에서 채널 재료의 근본적인 한계에 대한 잠재적인 솔루션을 제공합니다. 효과 및 스케일링의 다양한 과제 [1, 2]. 지난 10년 동안 2차원(2D) 재료의 나노일렉트로닉스 및 관련 응용 분야는 합성, 제조 및 통합 공정과 관련된 결함으로 인한 상당한 페르미 레벨 고정 효과로 인해 반도체 TMD 단층과의 중요한 접촉 문제로 인해 크게 방해를 받았습니다. 3,4,5,6]. 채널 재료의 위상 엔지니어링(반도성 1H 상에서 전도성 1T 상으로)[7], 접점의 기하학[8,9,10,11], 그래핀 버퍼 층을 사용한 인터페이스 엔지니어링[12, 13]을 포함한 상당한 노력, 향상된 접촉 특성으로 필수 전자 성능을 위해 수행됩니다.

최근 인공적으로 패터닝된 그래핀의 가장자리에 화학기상증착법을 사용하여 TMD를 직접 성장시켜 향상된 접촉과 새로운 특성을 위한 전도성 그래핀과 반도체 TMD의 통합이 실현되었다 [14,15,16,17,18,19,20,21] . 서로 다른 2D 재료 간의 이종 접합은 더 넓은 용량과 통합을 위해 단층 채널의 필수 다기능을 가능하게 합니다[22,23,24,25,26,27]. 측면으로 스티칭된 MoS₂의 이종 접합에서 약한 터널링 장벽이 달성됩니다. -그래핀, 2D 재료를 기반으로 하는 완전한 논리 회로 세트에 대해 인버터 및 네거티브 AND(NAND) 게이트를 활성화합니다[16, 17]. 다음 필수 목표는 확장 가능한 2D 재료를 사용하여 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 인버터 및 기타 논리 회로의 기본 전자 장치를 구현하는 것입니다. 그러나 이 목표를 향하여 낮은 쇼트키 장벽을 가진 p형 또는 양극성 트랜지스터의 선택적이고 제어 가능한 제조에 대한 오래 지속되는 과제로 남아 있습니다[28]. 대부분의 p형 트랜지스터는 텅스텐 셀렌화물(WSe₂ ) 그러나 WSe₂에는 높은 온도가 필요합니다. WO₃의 더 높은 증발 온도로 인한 성장 전구체 [29,30,31]. 사전 패턴화된 2D 재료에서 순차적 단층 성장의 저온 합성은 주로 Mo 기반 TMD를 사용하여 달성됩니다.

여기에서 순차 WSe₂를 향상시키기 위해 시딩 촉진제와 저압 CVD 공정을 사용합니다. 감소된 구성 변동 및 높은 이종 계면 품질을 위해 감소된 성장 온도로 성장 [32, 33]. 순차 WSe₂의 성장 동작 패턴화된 그래핀의 가장자리에서의 성장에 대해 논의합니다. 최적화된 성장 조건으로 측면 스티치 WSe₂의 고품질 인터페이스 -그래핀이 달성되고 TEM으로 연구됩니다. 측면 스티치 WSe₂의 장치 제작 및 전자 성능 -그래핀이 제시됩니다.

방법/실험

WSe의 합성₂ 및 그래핀

넓은 지역 WSe₂ 필름은 사파이어와 SiO₂에서 합성되었습니다. 용광로의 /Si 기질. 성장 과정 전에 기질을 각각 아세톤, 이소프로판올 및 물로 10분 동안 세척하였다. Perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid tetrapotassium salt(PTAS)는 단일층의 활성과 성장 속도를 향상시키기 위해 씨딩 촉진제로서 기판 표면에 균일하게 코팅되었습니다. WO₃의 고순도 고체 전구체 (Alfa Aesar, 99.9995% CAS#1313-27-5) 및 Se(Sigma-Aldrich, 99.5% CAS#7704-34-9)를 2개의 세라믹 도가니에 넣고 기판을 앞면이 위로 향하게 WO 옆에 배치했습니다. ₃ 가루. WSe₂ 샘플은 30 °C min⁻¹ 의 가열 속도로 10분 동안 800~900 °C에서 합성되었습니다. N₂ 혼합 /H₂ 1.2 Torr에서의 흐름. 그래핀은 30 °C min⁻¹ 의 가열 속도로 10 분 동안 1000 °C에서 Cu 호일에서 합성됩니다. 그리고 CH₄ 혼합물에서 /H₂ 4 Torr에서의 흐름. 패턴 그래핀은 전자빔 리소그래피와 산소 플라즈마 에칭으로 수행됩니다.

기기 제작

그래핀-WSe₂ 장치는 샘플 전송 없이 제작되었습니다. 전자빔 리소그래피 공정은 패터닝된 그래핀 층에 전극을 정의하기 위해 수행되었다. 전자빔 증발을 사용하여 Pd(40 nm)의 얇은 금속 층을 증착하고 아세톤에서 다음 리프트 오프 프로세스를 수행했습니다. 소자의 인캡슐레이션 층과 게이트 유전체는 얇은 Al₂의 ALD(Atomic Layer Deposition)를 사용하여 제조됩니다. O₃ 필름(50 nm). Pd(40 nm)의 얇은 금속은 게이트 전극으로 사용하기 위해 유전체 층에 증착되었습니다. 전자 성능을 향상시키기 위해 장치는 ~ 10⁻⁵ 의 진공 환경에서 ~ 12 시간 동안 ~ 120 °C에서 어닐링됩니다. 토르.

특성

라만 스펙트럼 및 광발광(PL)은 상업용 공초점 라만 분광기(Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech)로 얻었다. 레이저의 파장과 스폿 크기는 각각 532 nm 및 1-2 μm입니다. 일반적인 격자는 광대역 스펙트럼을 얻기 위해 PL(저해상도)에 대해 300 g/mm, 재료의 세부 정보를 얻기 위해 라만 신호에 대해 1800 g/mm로 사용되었습니다. TEM 샘플은 그래핀-WSe₂ 구멍이 많은 탄소 Cu 그리드에 나노 시트. TEM 이미지는 80 kV의 가속 전압에서 수행되었습니다(Cs 보정 STEM, JEOL, JEM-ARM200F). 전기적 측정은 Agilent B1500a Semiconductor Device Analyzer를 사용하여 측정되었습니다.

결과 및 토론

그래핀과 WSe₂의 측면 이종접합 합성 제어 , 그래핀 가장자리에서 단층 TMD의 순차적 성장은 그림 1a에 나와 있습니다. 단층 그래핀은 먼저 구리 호일에서 성장한 다음 나중에 표준 PMMA 지원 전송 방법을 사용하여 새로운 사파이어 기판으로 전송됩니다. 기존 전자빔 리소그래피 및 O₂ 플라즈마 에칭 공정은 단층 WSe₂의 순차적 성장을 위한 영역을 정의하기 위해 수행됩니다. . 단층 WSe₂의 직접 합성 사파이어 기판의 패턴화된 그래핀 가장자리에서 PTAS를 시딩 촉진제로 사용하는 저압 CVD에 의해 달성됩니다. 합성에 대한 자세한 정보는 "방법/실험" 섹션에 설명되어 있습니다. 그림 1b에서 측면으로 스티칭된 그래핀-WSe₂에서 G' 밴드의 라만 매핑 WSe₂의 순차 CVD 합성 후 사전 패턴화된 그래핀의 손상 감소를 확인하는 균일한 대비를 나타냅니다. 성장. 그림 1c에서 그래핀-WSe₂의 패턴화된 성장의 AFM 이미지 단층 이종 접합의 매끄러운 표면 형태를 나타냅니다. 그림 1d는 E_2g의 라만 스펙트럼을 나타냅니다. 모드(WSe₂ -파란색) 및 G' 밴드(그래핀-녹색)는 보고된 연구[34]와 일치하는 그림 1c의 레이블입니다. 성장한 이종접합의 균일성을 설명하기 위해 패턴화된 그래핀-WSe₂의 라만 매핑 그림 1 e 및 f에 각각 표시됩니다. 매핑 이미지에서 라만 강도의 균일한 대비가 명확하게 관찰되어 고품질 단층 WSe₂의 이종 성장에 대한 제어 가능한 합성을 제안합니다. 미리 패턴화된 그래핀의 가장자리에.

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WSe₂의 제어된 성장 패턴화된 그래핀에서 아 측면으로 스티칭된 WSe₂의 개략도 -그래핀 합성. ㄴ 그래핀의 G' 밴드 및 c에 대한 라만 매핑 WSe₂ 패턴 성장의 AFM 이미지 -그래핀. d E_2g의 라만 스펙트럼 모드(WSe₂ -파란색) 및 c의 G' 밴드(그래핀-녹색) . e의 라만 매핑 E_2g WSe₂ 모드 및 f 단층 이종접합에서 그래핀의 G' 밴드

스티칭된 그래핀-TMD의 성장 거동을 명확히 하기 위해 WSe₂ 패턴화된 그래핀에서의 합성은 프로모터의 유무에 관계없이 수행됩니다. 그림 2 및 b는 WSe₂ 제안 파종 촉진제로서 PTAS 없이 다른 온도에서 성장. 850 °C 이상에서는 WSe₂의 순차적 성장 그래핀 가장자리에 나타납니다. WSe₂의 높은 성장 온도 WO₃의 고체 전구체에 대한 감소된 기체 반응물로 인해 성장이 필요합니다. , 이전 논문 [29,30,31]에서 자세히 설명했습니다. 성장한 WSe₂의 거시적으로 매끄러운 경계 무작위 분포 및 작은 크기의 입자를 의미합니다. 대조적으로, 순차적인 WSe₂ 파종 촉진제로서 PTAS를 사용한 다양한 온도에서의 성장은 그림 2c 및 d에 나와 있습니다. PTAS 프로모터는 완전한 순차 WSe₂를 위해 성장 온도를 크게 낮춥니다. TMD-TMD 이종접합의 성장 거동과 유사한 더 큰 도메인 크기를 갖는 그래핀 가장자리에서의 성장. 순차적인 WSe₂ 이후 800 °C에서 성장, G' 밴드(그래핀)의 라만 매핑에서 균일한 대조와 더 높은 강도의 관찰은 저온 성장으로 인해 그래핀의 손상이 감소되었음을 나타냅니다. 온도가 증가하면 연속 WSe₂ 필름은 패턴화된 그래핀의 가장자리에 이상적인 접촉으로 패턴화된 영역을 채웁니다(그림 2d). 단층 WSe₂의 명확한 삼각형 모양을 가진 더 큰 도메인 크기에 유의하십시오. 그래핀의 가장자리에 스티칭되어(그림 2c) 순차적인 WSe₂의 품질이 더 우수함을 나타냅니다. 성장. 파종 촉진제 및 온도에 최적화된 성장 조건, 확장 가능한 고품질 단층 WSe₂ 지원 정보(추가 파일 1:그림 S1)에 표시된 대로 LPCVD 시스템에 의해 실현됩니다. 패턴화된 그래핀의 가장자리에서 순차적인 TMD 합성이 지원 정보(추가 파일 1:그림 S2)에서 볼 수 있듯이 다른 TMD와 그래핀의 다른 이종 접합에서 보편적으로 관찰된다는 점은 주목할 만합니다.

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온도에 따른 WSe₂ 시딩 프로모터를 사용한 성장:광학 이미지, A_1g의 라만 매핑 이미지 모드(WSe₂ ) 및 다른 온도에서 합성된 샘플의 G' 밴드(그래핀) a , b 및 c 없이 , d PTAS를 파종 프로모터로 사용

WSe₂의 이종접합을 추가로 조사하려면 -그래핀, 고해상도 투과전자현미경(HRTEM) 측정이 수행됩니다. 그림 3a에서 선택된 영역 TEM 이미지는 검은색(그래핀 끝)과 녹색(TMD 끝) 점선 사이의 중첩 영역이 사전 패턴화된 그래핀과 순차적으로 성장한 WSe₂로 구성되어 있음을 나타냅니다. 단층. 중첩 영역의 너비는 약 500 nm입니다. 그래핀 격자에 대한 비정질 유사 TEM 이미지는 에너지 전자빔에 의한 그래핀의 불가피한 왜곡으로 인해 예상대로 관찰됩니다. 그림 3 c 및 d는 이종 접합에서 순차적 TMD 성장에 대한 더 나은 이해를 위해 HRTEM 이미지에 대한 계산 및 실험 관찰을 나타냅니다. 그래핀(~ 2.5 Å) 및 WSe₂의 육각 격자 및 단위 셀 관찰 (~ 3.3 Å)은 그래핀(2.46 Å) 및 WSe₂의 벌크 격자 매개변수와 일치합니다. (3.28 Å). TEM 특성화는 순차 WSe₂ 그래핀 가장자리에서 더 높은 결함 밀도가 더 많은 핵 생성 사이트와 함께 수직 섬 성장을 향상시키기 때문에 사전 패턴화된 그래핀 가장자리에서 성장이 시작됩니다. 그래핀과 TMD의 격자 사이에 20% 이상의 큰 격자 불일치는 더 높은 결함 밀도를 갖는 무질서 경계면과 이종 접합에서 결합된 수직 및 측면 TMD 성장의 원인이 될 수 있습니다. 또한, 그림 3d의 삽입은 중첩 영역과 그래핀 영역에서 실제 공간 원자 이미지의 고속 푸리에 변환(FFT)에 의한 해당 회절도를 보여줍니다. 그래핀 영역(왼쪽)에서는 한 세트의 회절 패턴만 관찰되는 반면, 겹친 영역(오른쪽)에서는 비틀림 각도 0.35°로 회전된 두 세트의 회절 패턴이 관찰됩니다. 그래핀과 WSe₂ 사이의 비틀림 각도가 크게 감소했습니다. 격자는 WSe₂ 그래핀 가장자리에서 일관된 적층을 선호합니다.

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측면으로 스티칭된 그래핀-WSe₂의 이종접합의 TEM 특성화 . 아 저배율 이미지, b 개략도, c 시뮬레이션 및 d 그래핀-WSe₂의 이종 접합의 관찰된 HRTEM 이미지 . 오른쪽 삽입은 스택된 WSe₂의 겹침 영역의 FFT 이미지를 보여줍니다. 그래핀에서는 왼쪽 삽입이 그래핀을 표시합니다. e의 라만 매핑 E_2g WSe₂ 모드 및 f 단층 이종접합에서 그래핀의 G' 밴드

as-grown WSe₂의 전계 효과 속성을 보여주기 위해 패턴화된 그래핀 이종 소자의 가장자리에 스티칭된 소자는 샘플 이동 없이 제작됩니다. 절연체에 전자빔 리소그래피를 위한 표면 기능을 기반으로 한 맞춤형 제작 공정을 개발합니다. 스티칭된 그래핀-WSe₂의 전자 수송 성능 소자는 금속 전극(Pd 40 nm)을 패턴화된 그래핀과 연결하고 Al₂을 증착하여 연구됩니다. O₃ (50 nm) 게이트 유전체. 그림 4a와 b는 각각 상부 게이트 이종 접합 소자의 개략도와 제조된 소자의 광학 이미지를 보여줍니다. 2단자 전자 전송 측정은 상온의 진공 상태에서 상업용 프로브 스테이션(Agilent B1500a가 있는 Lake Shore Cryotronics PS-100)을 사용하여 수행됩니다. 장치의 전달 곡선은 켜짐/꺼짐 비율(~ 10⁴ ) 및 약 몇 100 nA의 높은 온 전류(그림 4c). 선형 영역에서 장치의 전계 효과 이동도는 약 0.07 cm² 입니다. /Vs at V _d =2 V, 다음 방정식을 사용하여 평가됨:

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

여기서 C _소 =ε ₀ ε _r /d 는 산화물 커패시턴스 및 L (9 μm) 및 W (24 μm)는 각각 채널 길이와 채널 너비입니다. 또한 다양한 게이트 전압에서 장치의 출력 곡선이 그림 4d에 나와 있습니다. 선형 나 -V 곡선은 그래핀 층과 WSe₂ 사이의 양호한 접촉을 확인합니다. 층. 스티칭된 TMD-그래핀 단층 이종접합의 향상된 전자 성능은 향상된 접촉 특성으로 인해 달성되었으며, 이는 인공적으로 패턴화된 그래핀의 가장자리에서 순차적 TMD 성장을 위한 합성이 2D 나노전자공학으로 중요한 단계를 이동한다는 것을 시사합니다.

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WSe₂의 전자 연주 스티칭된 그래핀 접점으로. 아 회로도, b 광학 이미지, c 전송 곡선 및 d 스티칭된 그래핀-WSe₂의 상부 게이트 단층 이종접합 소자의 출력 곡선

결론

순차 WSe₂ 패턴화된 그래핀의 가장자리에서의 성장은 프로모터 보조 LPCVD를 사용하여 사파이어에서 달성됩니다. PTAS 프로모터는 이상적인 순차 WSe₂를 위해 성장 온도를 크게 낮춥니다. 더 큰 도메인 크기로 그래핀 가장자리에서 성장

TEM 특성화는 순차 WSe₂ 사전 패턴화된 그래핀의 가장자리에서 성장이 시작됩니다. 그래핀과 WSe₂ 사이의 비틀림 각도가 크게 감소했습니다. 격자는 순차 WSe₂ 성장은 그래핀 가장자리에서 일관된 적층을 선호합니다. 스티칭된 TMD-그래핀 단층 이종접합의 향상된 전자 성능은 향상된 접촉 특성으로 인해 달성됩니다.