Инженерия зонного выравнивания в гетероструктурах MoS₂/HfO₂ через контролируемую нитридацию

Аннотация

Исследовано влияние плазменной обработки азотом на зонное выравнивание между малослойным MoS₂ и HfO₂ методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS). Валентное смещение (VBO) и проводимое смещение (CBO) гетероструктуры MoS₂/HfO₂ без нитридации составили 2.09 ± 0.1 эВ и 2.41 ± 0.1 эВ, а с нитридацией — 2.34 ± 0.1 эВ и 2.16 ± 0.1 эВ соответственно. Настройка обусловлена формированием связей Mo-N и изгибом зон в HfO₂ из-за включения азота. Работа демонстрирует, что стратегическая нитридация позволяет инженерировать энергетический ландшафт интерфейсов MoS₂/HfO₂, открывая путь к оптимизации электронных устройств на 2D-материалах.

Введение

Слоистые дихалкогениды переходных металлов (TMDC) привлекают внимание благодаря уникальным электронным и оптическим свойствам, настраиваемым толщиной слоя. MoS₂ особенно перспективен как канальный материал для постинженерии за 7 нм, предлагая прямой зазор 1.8 эВ в монослое и непрямой 1.2 эВ в объеме. В отличие от графена с нулевым зазором, толщинозависимый зазор MoS₂ позволяет оптические и электрические приложения. Плотность состояний в малослойном MoS₂ примерно в три раза выше, чем в монослое, что дает более высокие баллистические токи. Следовательно, малослойный MoS₂ дает преимущества для транзисторов.

Диэлектрики на базе оксида кремния приближаются к физическим пределам из-за низкой диэлектрической постоянной. Для достижения тонкого эквивалентного оксидного толщины (EOT) и высокой производительности с MoS₂ интегрируют высокок диэлектрики: Al₂O₃, ZrO₂, HfO₂, h-BN. HfO₂ привлекателен высокой диэлектрической постоянной (~20) и совместимостью с поли-SiGe, TaN и поликристаллическими кремниевыми затворами. Однако HfO₂ страдает от низкой термической стабильности, высокого утеточного тока и значительной плотности ловушек, что мотивирует пассивацию интерфейса нитридацией или фторированием.

В этой работе исследовано зонное выравнивание малослойного MoS₂ на HfO₂ с и без плазменной обработки азотом, с характеристикой интерфейсной химии XPS.

Методы

Подложки SiO₂/Si (280 нм SiO₂) очищали в ацетоне и изопропаноле (по 10 мин ультразвуком), затем промывали ДИ-водой и сушили N₂. Малослойные пленки MoS₂ выращивали на SiO₂/Si методом химососедного осаждения (CVD) из MoO₃ (0.08 мг) и серы (1 г). После роста пленки переносили на HfO₂/Si методом PMMA-помощи: PMMA наносили на MoS₂/SiO₂/Si, SiO₂ разжижали в KOH, плавающий стек MoS₂/PMMA переносили на HfO₂/Si, затем растворяли PMMA в ацетоне.

Слои HfO₂ осаждали атомно-слойным осаждением (ALD) при 200 °C из TEMAH и H₂O. Для оптимизации нитридации SIMS показал: 70 с N₂-плазмы вводит избыточный азот, деградируя оксид, 30 с — не детектирует азота на поверхности. Для нитрированных образцов применяли 50 с N₂-плазмы (3 Па) к HfO₂/Si перед переносом MoS₂. Доза азота ~8.4×10¹⁴ атом/см² (~1.5% концентрации по XPS). Подготовили четыре образца для XPS: (1) MoS₂ на SiO₂/Si, (2) объемный HfO₂ на Si, (3) MoS₂ на необработанном HfO₂, (4) MoS₂ на нитрированном HfO₂.

Результаты и обсуждение

Рамановская спектроскопия подтвердила сохранение кристаллического качества MoS₂ при переносе. Пики 382.86 см⁻¹ (E₂g¹) и 406.43 см⁻¹ (A₁g) не сместились, указывая на минимальное напряжение и дефекты. Разделение частот (Δk ≈ 23.57 см⁻¹) соответствует 4-5 слоям, подтверждено HRTEM (~2.8 нм).

SIMS-профилирование нитрированного образца показало градиент концентрации азота, диффундирующего в HfO₂ и накапливающегося у границы HfO₂/Si. XPS N 1s выявил слабый пик ~395.8 эВ в нитрированной гетероструктуре, указывающий на образование связей Mo-N.

Для определения VBO записывали XPS-спектры Mo 3d и Hf 4f с шагом 0.05 эВ на VG ESCALAB 220i-XL (Al Kα, 1486.6 эВ). Разности связывающей энергии (BED) между ядерными уровнями и максимумом валентной зоны (VBM) составили 228.49 ± 0.1 эВ для Mo 3d₅/₂ в MoS₂ (образец 1) и 14.10 ± 0.1 эВ для Hf 4f₇/₂ в объемном HfO₂ (образец 2). В гетероструктурах пик Mo 3d₅/₂ сместился с 229.45 ± 0.05 эВ (образец 3) на 229.90 ± 0.05 эВ (образец 4) при нитридации, отражая зарядовый перенос через Mo-N интерфейс. Пик Hf 4f₇/₂ сдвинулся с 17.40 ± 0.05 эВ на 17.60 ± 0.05 эВ, пик O 1s — на 0.20 эВ к большей связывающей энергии. Эти сдвиги означают нисходящий изгиб зон в HfO₂, согласующийся с донорными дефектами, индуцированными азотом.

Методом Краута VBO (ΔE_V) рассчитан как 2.09 ± 0.1 эВ для нитрированной и 2.34 ± 0.1 эВ для ненитрированной гетероструктуры. CBO (ΔE_C) выведен из разности зазоров (HfO₂: 5.9 ± 0.1 эВ; MoS₂: 1.4 ± 0.1 эВ) и VBO: 2.41 ± 0.1 эВ (нитрированная) против 2.16 ± 0.1 эВ (ненитрированная). Зонные диаграммы показывают, что обе гетероструктуры обеспечивают сильное замыкание для электронов и дырок, важное для MoS₂-FET. Нитрированный интерфейс с более высоким CBO особенно благоприятен для n-канальных устройств.

Заключение

XPS-исследование показывает, что кратковременная N₂-плазменная обработка HfO₂ перед осадкой MoS₂ существенно модифицирует интерфейсное зонное выравнивание. Ненитрированная гетероструктура имеет VBO 2.34 ± 0.1 эВ и CBO 2.16 ± 0.1 эВ, тогда как нитридация снижает VBO до 2.09 ± 0.1 эВ и повышает CBO до 2.41 ± 0.1 эВ. Наблюдаемое Mo-N связывание и азот-индуцированные донорные состояния объясняют изгиб зон и улучшенное замыкание электронов. Результаты дают четкий путь для зонной инженерии 2D/высокок интерфейсов, открывая дорогу к более надежной и высокопроизводительной электронике на MoS₂.

Аббревиатуры

ALD

Атомно-слойное осаждение

BE

Связывающая энергия

BED

Разность связывающих энергий

CBO

Проводимое смещение

CL

Ядерный уровень

CVD

Химическое осаждение из газовой фазы

FET

Полевой транзистор

HfO₂

Оксид гафния

HRTEM

Высокоразрешающая трансляционная электронная микроскопия

MoS₂

Дисульфид молибдена

PMMA

Полиметилметакрилат

SIMS

Масс-спектрометрия вторичных ионов

SL

Однослойный

TEMAH

Тетракис(этилметиламидо)гафний

TMDC

Дихалкогениды переходных металлов

VBM

Максимум валентной зоны

VBO

Валентное смещение

XPS

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия