Контролируемое низкотемпературное рост WSe₂ на графене для эффективных p-транзисторов

Аннотация

Наноэлектроника двухмерных (2D) материалов и связанные приложения сталкиваются с критическими проблемами контакта с полупроводниковыми монослоями. Для решения этих проблем фундаментальной задачей является селективная и контролируемая фабрикация p-типа или амбиполярных транзисторов с низким барьером Шоттки. Большинство p-транзисторов демонстрируются на основе селенида вольфрама (WSe₂), однако требуется высокая температура роста. Здесь мы используем посевной промотор и процесс ЛП CVD для усиления последовательного роста WSe₂ при сниженной температуре 800 °C для уменьшения композиционных флуктуаций и высокого качества гетероинтерфейса. Обсуждается поведение роста последовательного WSe₂ на краю паттернированного графена. При оптимизированных условиях достигается высококачественный интерфейс латерально сшитого WSe₂-графена, охарактеризованный передаточной электронной микроскопией (TEM). Представлены фабрикация устройств и электронные характеристики латерально сшитого WSe₂-графена.

Введение

Монослойные материалы Ван-дер-Ваальса, такие как графен и дихалкогениды переходных металлов (TMD), демонстрируют отличные электронные свойства и атомарно тонкое тело без висячих связей на поверхности, что предлагает потенциальные решения для фундаментальных пределов канальных материалов в законе Мура, таких как эффекты короткого канала и различные проблемы масштабирования [1, 2]. За прошлое десятилетие наноэлектроника 2D-материалов и связанные приложения сильно сдерживаются критическими контактными проблемами с полупроводниковыми TMD-монослоями из-за значительного эффекта закрепления уровня Ферми от дефектов, участвующих в синтезе, фабрикации и интеграции процессов [3-6]. Прилагаются значительные усилия, включая фазовую инженерию канальных материалов (от полупроводниковой 1H-фазы к проводимой 1T-фазе) [7], геометрию контактов [8-11] и инженерию интерфейса с буферным слоем графена [12, 13], для достижения существенных электронных характеристик с улучшенными контактными свойствами.

Недавно интеграция проводимого графена и полупроводникового TMD для улучшения контактов и новых свойств реализована путем прямого роста TMD с помощью химического осаждения из газовой фазы на краю искусственно паттернированного графена [14-21]. Гетероструктуры среди различных 2D-материалов обеспечивают важную многофункциональность монослойных каналов для более широкой емкости и интеграции [22-27]. Слабый туннельный барьер достигается на гетероструктуре латерально сшитого MoS₂-графена, позволяя реализовать инверторы и элементы И-НЕ (NAND) для полного набора логических схем на основе 2D-материалов [16, 17]. Следующей существенной целью является реализация базовых электронных блоков дополняющих металл-оксид-полупроводниковых (CMOS) инверторов и других логических схем с масштабируемыми 2D-материалами. Однако остается долгая проблема селективной и контролируемой фабрикации p-типа или амбиполярных транзисторов с низким барьером Шоттки [28]. Большинство p-транзисторов демонстрируются с WSe₂, но для роста WSe₂ требуется высокая температура из-за более высокой температуры испарения предварителя WO₃ [29-31]. Низкотемпературный синтез последовательного монослойного роста на предварительно паттернированных 2D-материалах в основном достигается с Mo-основанными TMD.

Здесь мы используем посевной промотор и процесс ЛП CVD для усиления последовательного роста WSe₂ при сниженной температуре для уменьшения композиционных флуктуаций и высокого качества гетероинтерфейса [32, 33]. Обсуждается поведение роста последовательного WSe₂ на краю паттернированного графена. При оптимизированных условиях роста достигается высококачественный интерфейс латерально сшитого WSe₂-графена и изучается с помощью TEM. Представлены фабрикация устройств и электронные характеристики латерально сшитого WSe₂-графена.

Методы/Эксперимент

Синтез WSe₂ и графена

Пленочные покрытия WSe₂ большого размера синтезировались на сапфире и подложках SiO₂/Si в печи. Перед процессом роста подложки очищали ацетоном, изопропанолом, а затем водой в течение 10 мин соответственно. Перелен-3,4,9,10-тетракарбоновая тетракалиевая соль (PTAS) равномерно наносилась на поверхность подложки в качестве посевных промоторов для усиления активности и скорости роста монослоев. Высокочистые твердые предварители WO₃ (Alfa Aesar, 99,9995% CAS#1313-27-5) и Se (Sigma-Aldrich, 99,5% CAS#7704-34-9) помещали в два керамических тигля, а подложки располагали лицевой стороной вверх рядом с порошком WO₃. Образцы WSe₂ синтезировали при 800–900 °C в течение 10 мин со скоростью нагрева 30 °C/мин и в смеси потока N₂/H₂ при 1,2 Торр. Графен синтезировали на медной фольге при 1000 °C в течение 10 мин со скоростью нагрева 30 °C/мин и в смеси потока CH₄/H₂ при 4 Торр. Паттернирование графена проводили электронно-лучевой литографией и плазменным окисным травлением.

Фабрикация устройств

Устройства графен-WSe₂ фабриковали без переноса образца. Процесс электронно-лучевой литографии выполняли для определения электродов на паттернированном слое графена. Тонкий металлический слой Pd (40 нм) осаждали электронно-лучевым испарением, затем проводили процедуру лифт-офф в ацетоне. Инкапсулирующий слой и диэлектрик затвора изготавливали атомно-слойным осаждением (ALD) тонких пленочек Al₂O₃ (50 нм). Тонкий металлический слой Pd (40 нм) осаждали на диэлектрическом слое для использования в качестве затворных электродов. Для улучшения электронных характеристик устройства отжигали при ~120 °C в течение ~12 ч в вакуумной среде ~10⁻⁵ Торр.

Характеризация

Рамановские спектры и фотолюминесценция (PL) получали коммерческим конфокальным Рамановским спектрометром (Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). Длина волны и размер пятна лазера составляли 532 нм и 1–2 мкм соответственно. Типичные решетки использовали с 300 штрихов/мм для PL (низкое разрешение) для получения широкополосного спектра и (высокое разрешение) 1800 штрихов/мм для Рамановских сигналов для получения детальной информации о материале. Образцы для TEM подготавливали стандартной техникой переноса PMMA для размещения нанолистов графен-WSe₂ на дырячатоуглеродистой медной сетке. Изображения TEM получали при ускоряющем напряжении 80 кВ (Cs-корректированный STEM, JEOL, JEM-ARM200F). Электрические измерения проводили с помощью анализатора полупроводниковых приборов Agilent B1500a.

Результаты и обсуждение

Для контроля синтеза латеральной гетероструктуры графена и WSe₂ демонстрируется последовательный рост монослойного TMD на краях графена (рис. 1a). Монослойный графен сначала выращивали на медной фольге, затем переносили на свежую сапфировую подложку стандартным методом переноса с помощью PMMA. Конвенционные электронно-лучевая литография и процессы O₂-плазменного травления проводили для определения области последовательного роста монослойного WSe₂. Прямой синтез монослойного WSe₂ на краях паттернированного графена на сапфировой подложке достигнут методом ЛП CVD с PTAS в качестве посевных промоторов. Более подробная информация о синтезе описана в разделе «Методы/Эксперимент». На рис. 1b Рамановское картирование полосы G' в латерально сшитом графен-WSe₂ демонстрирует равномерный контраст, что подтверждает сниженное повреждение предварительно паттернированного графена после последовательного CVD-синтеза роста WSe₂. На рис. 1c AFM-изображение паттернированного роста графен-WSe₂ указывает на гладкую поверхностную морфологию монослойной гетероструктуры. Рис. 1d представляет Рамановские спектры моды E₂g (WSe₂ — синий) и полосы G' (графен — зеленый) в соответствии с метками на рис. 1c, что согласуется с сообщенными исследованиями [34]. Для иллюстрации равномерности выращенной гетероструктуры показано Рамановское картирование паттернированного графен-WSe₂ на рис. 1e и f соответственно. Четко наблюдается равномерный контраст интенсивности Рамана на изображениях картирования, что свидетельствует о контролируемом синтезе гетерогенного роста высококачественного монослойного WSe₂ на краях предварительно паттернированного графена.

Контролируемый рост WSe₂ на паттернированном графене. a Схема синтеза латерально сшитого WSe₂-графена. b Рамановское картирование для полосы G' графена и c AFM-изображение паттернированного роста WSe₂-графена. d Рамановские спектры моды E₂g (WSe₂ — синий) и полосы G' (графен — зеленый) на c. Рамановское картирование e моды E₂g WSe₂ и f полосы G' графена в монослойной гетероструктуре

Для уточнения поведения роста сшитого графен-TMD синтез WSe₂ на паттернированном графене проводили с промоторами и без них. Рис. 2a и b показывают рост WSe₂ при разных температурах без PTAS в качестве посевного промотора. Выше 850 °C появляется последовательный рост WSe₂ на краях графена. Высокая температура роста WSe₂ требуется из-за уменьшения газообразных реагентов для твердого предворителя WO₃, как подробно описано в предыдущих работах [29-31]. Макроскопически гладкая граница выращенного WSe₂ подразумевает случайно распределенные и мелкозернистые структуры. В противовес, последовательный рост WSe₂ при разных температурах с PTAS в качестве посевного промотора представлен на рис. 2c и d. Промоторы PTAS значительно снижают температуру роста для идеального последовательного роста WSe₂ на краях графена с большими размерами доменов, что похоже на поведение роста в TMD-TMD гетероструктурах [22]. После последовательного роста WSe₂ при 800 °C наблюдение равномерного контраста и более высокой интенсивности в Рамановском картировании полосы G' (графен) указывает на сниженное повреждение графена благодаря низкотемпературному росту. С повышением температуры непрерывная пленочка WSe₂ заполняет паттернированные области с идеальным контактом к краям паттернированного графена (рис. 2d). Заметим, что больший размер домена с четкой треугольной формой монослойного WSe₂, сшитого с краями графена (рис. 2c), указывает на лучшее качество последовательного роста WSe₂. При оптимизированных условиях роста на посевных промоторах и температуре масштабируемый и высококачественный монослойный WSe₂ реализован системой ЛП CVD, как показано в дополнительной информации (Дополнительный файл 1: Рисунок S1). Стоит отметить, что последовательный TMD-синтез на краях паттернированного графена универсально наблюдается в других гетероструктурах различных TMD и графена, как показано в дополнительной информации (Дополнительный файл 1: Рисунок S2).

Температурно-зависимый рост WSe₂ с посевным промотором: Оптические изображения, Рамановские изображения картирования моды A₁g (WSe₂) и полосы G' (графена) образцов, синтезированных при разных температурах a, b без и c, d с PTAS в качестве посевного промотора

Для дальнейшего исследования гетероструктуры WSe₂-графена выполнено измерение высокоразрешающей передаточной электронной микроскопии (HRTEM). На рис. 3a изображение выделенной области TEM показывает, что область перекрытия между черными (конец графена) и зелеными (конец TMD) пунктирными линиями состоит из предварительно паттернированного графена и последовательно выращенного монослойного WSe₂. Ширина области перекрытия составляет около 500 нм. Наблюдается аморфно-подобное TEM-изображение для графеновой решетки, как и ожидалось, из-за неизбежных искажений графена энергичным электронным пучком. Рис. 3c и d представляют расчетное и экспериментальное наблюдение HRTEM-изображения для лучшего понимания последовательного TMD-роста на гетероструктуре. Наблюдение гексагональных решеток и элементарных ячеек графена (~2,5 Å) и WSe₂ (~3,3 Å) согласуется с параметрами объемных решеток графена (2,46 Å) и WSe₂ (3,28 Å). TEM-характеризация указывает, что последовательный рост WSe₂ инициируется на краях предварительно паттернированного графена, поскольку более высокая плотность дефектов на краю графена усиливает вертикальный островной рост с большим количеством центров нуклеации. Большое несоответствие решеток более 20% между решетками графена и TMD может отвечать за беспорядочный интерфейс с более высокой плотностью дефектов и для комбинированного вертикального и латерального TMD-роста на гетероструктуре. Более того, вставки на рис. 3d показывают соответствующие диффракционные паттерны быстрого преобразования Фурье (FFT) реальных атомных изображений в области перекрытия и области графена. Только один набор диффракционного паттерна наблюдается в области графена (слева), тогда как два набора диффракционных паттернов, повернутых на угол скручивания 0,35°, наблюдаются в области перекрытия (справа). Настоятельно сниженный угол скручивания между решетками графена и WSe₂ подразумевает, что последовательный рост WSe₂ способствует когерентному наслаиванию на краях графена.

TEM-характеризация гетероструктуры латерально сшитого графен-WSe₂. a Изображение низкого увеличения, b схематические иллюстрации, c смоделированное, и d наблюдаемое HRTEM-изображения гетероструктуры графен-WSe₂. Правая вставка показывает FFT-изображение области перекрытия наслаиваемого WSe₂ на графене, в то время как левая вставка отображает ту для графена. Рамановское картирование e моды E₂g WSe₂ и f полосы G' графена в монослойной гетероструктуре

Для демонстрации полевых свойств выращенного WSe₂, сшитого на краях паттернированного графена гетероустройства, устройство фабрикуется без переноса образца. Разработан кастомизированный процесс фабрикации на основе поверхностной функциональности для электронно-лучевой литографии на изоляторе. Электронно-транспортные характеристики сшитого гетероустройства графен-WSe₂ изучаются путем соединения металлических электродов (Pd 40 нм) с паттернированным графеном и осаждением Al₂O₃ (50 нм) в качестве диэлектрика затвора. Рис. 4a и b показывают схемную иллюстрацию топ-гейтного гетероустройства и оптическое изображение фабрикованного устройства соответственно. Двухконтактные электро-транспортные измерения проводятся с помощью коммерческой зондной станции (Lake Shore Cryotronics PS-100 с Agilent B1500a) в вакууме при комнатной температуре. Передаточная кривая устройства демонстрирует p-тип транспортное поведение с отношением вкл/выкл (~10⁴) и высоким током включения примерно нескольких сотен нА (рис. 4c). Полевой подвижность устройства в линейной области составляет около 0,07 см²/В·с при Vd = 2 В, что оценивается по следующему уравнению:

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

где Cox = ε₀εᵣ/d — емкость оксида, а L (9 мкм) и W (24 мкм) — длина и ширина канала соответственно. Кроме того, выходные характеристики устройства при различных затворных напряжениях показаны на рис. 4d. Линейные I-V кривые подтверждают хороший контакт между слоем графена и слоем WSe₂. Повышенная электронная характеристика латерально сшитых монослойных гетероструктур TMD-графен достигается благодаря улучшенным контактным свойствам, что свидетельствует о том, что синтез последовательного TMD-роста на краях искусственно паттернированного графена делает значительный шаг к 2D наноэлектронике.

Электронные характеристики WSe₂ со сшитыми графеновыми контактами. a Схема, b оптическое изображение, c передаточная кривая, и d выходные характеристики топ-гейтного монослойного гетероустройства сшитого графен-WSe₂

Заключение

Последовательный рост WSe₂ на краях паттернированного графена достигнут на сапфире с использованием промотор-помощенного ЛП CVD. Промоторы PTAS значительно снижают температуру роста для идеального последовательного роста WSe₂ на краях графена с большими размерами доменов.

TEM-характеризация указывает, что последовательный рост WSe₂ инициируется на краях предварительно паттернированного графена. Настоятельно сниженный угол скручивания между решетками графена и WSe₂ подразумевает, что последовательный рост WSe₂ способствует когерентному наслаиванию на краях графена. Повышенная электронная характеристика латерально сшитых монослойных гетероструктур TMD-графен достигнута благодаря улучшенным контактным свойствам.

Доступность данных и материалов

Все данные, сгенерированные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью и ее дополнительные информационные файлы.

Аббревиатуры

2D:

Двухмерные

AES:

Авьеровская электронная спектроскопия

EIS:

Электрохимическая импедансная спектроскопия

SEM:

Растровое электронное микроскопирование

TEM:

Проходное электронное микроскопирование

TMD:

Дихалкогениды переходных металлов

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция