Избирательный рост WSe2 с помощью графеновых контактов

Введение

Однослойные материалы Ван-дер-Ваальса, такие как графен и дихалькогенид переходных металлов (TMD), демонстрируют отличные электронные характеристики и атомарно толстое тело без оборванных связей на поверхности, что предлагает потенциальные решения для фундаментального ограничения материалов каналов в законе Мура, таких как короткий канал эффекты и различные проблемы в масштабировании [1, 2]. В последнее десятилетие наноэлектроника из двумерных (2D) материалов и связанных с ними приложений сильно затрудняется из-за критических проблем контакта с полупроводниковыми монослоями TMD из-за значительного эффекта пиннинга уровня Ферми из-за дефектов, участвующих в процессах синтеза, изготовления и интеграции [ 3,4,5,6]. Значительные усилия, включая фазовую инженерию материалов канала (от полупроводниковой фазы 1H до проводящей фазы 1T) [7], геометрию контактов [8,9,10,11] и разработку интерфейса с графеновым буферным слоем [12, 13], выполняются для основных электронных характеристик с улучшенными контактными свойствами.

В последнее время интеграция проводящего графена и полупроводникового TMD для улучшения контактов и новых свойств реализована путем прямого роста TMD с использованием химического осаждения из газовой фазы на краю графена с искусственным рисунком [14,15,16,17,18,19,20,21] . Гетеропереходы между различными 2D-материалами обеспечивают существенную многофункциональность монослойных каналов для большей емкости и интеграции [22,23,24,25,26,27]. Слабый туннельный барьер достигается на гетеропереходе латерально сшитого MoS ₂ -графен, включающий инвертор и логические элементы отрицательного И (И-НЕ) для полного набора логических схем на основе 2D-материалов [16, 17]. Следующая важная цель - реализовать базовые электронные блоки комплементарных металлооксидных полупроводниковых инверторов (CMOS) и других логических схем с масштабируемыми 2D-материалами. Однако для достижения этой цели остается долгосрочной проблемой селективное и управляемое изготовление транзисторов p-типа или амбиполярных транзисторов с низким барьером Шоттки [28]. Большинство транзисторов p-типа продемонстрировано с селенидами вольфрама (WSe ₂ ), но для WSe ₂ требуется высокая температура. рост из-за более высокой температуры испарения WO ₃ предшественник [29,30,31]. Низкотемпературный синтез последовательного роста монослоя на предварительно структурированных 2D-материалах в основном достигается с помощью TMD на основе Mo.

Здесь мы используем промотор посева и процесс CVD низкого давления для улучшения последовательного WSe ₂ рост с пониженной температурой роста для уменьшения флуктуаций состава и высокого качества гетерограницы [32, 33]. Поведение роста последовательного WSe ₂ обсуждается рост на краю узорчатого графена. Оптимизированные условия роста, качественный интерфейс сшитого по бокам WSe ₂ -графен получен и изучен с помощью ПЭМ. Изготовление устройства и электронные характеристики сшитого по бокам WSe ₂ -графен.

Метод / экспериментальный

Синтез WSe ₂ и графен

WSe большой площади ₂ пленки синтезированы на сапфире и SiO ₂ / Si подложки в печи. Перед выращиванием подложки очищали ацетоном, изопропанолом и водой в течение 10 мин соответственно. Тетракарбоновую соль перилен-3,4,9,10-тетракарбоновой кислоты (PTAS) равномерно наносили на поверхность субстрата в качестве промоторов затравки для повышения активности и скорости роста монослоев. Твердые предшественники WO ₃ высокой чистоты (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 помещали лицевой стороной вверх и рядом с WO. ₃ пудра. WSe ₂ образцы были синтезированы при температуре 800 ~ 900 ° C в течение 10 мин при скорости нагрева 30 ° C мин ⁻¹ и под смесью N ₂ / H ₂ расход при 1,2 торр. Графен синтезируется на медной фольге при 1000 ° C в течение 10 мин и скорости нагрева 30 ° C мин ⁻¹ . и под смесью CH ₄ / H ₂ расход при 4 Торр. Рисунок графена осуществляется методом электронно-лучевой литографии и травления в кислородной плазме.

Изготовление устройства

Графен-WSe ₂ Устройства изготавливались без переноса образцов. Процесс электронно-лучевой литографии был выполнен для определения электродов на узорчатом слое графена. Тонкий металлический слой Pd (40 нм) был нанесен с использованием электронно-лучевого испарения, и последующий процесс снятия проводился в ацетоне. Инкапсулирующий слой и диэлектрик затвора устройства изготавливаются с использованием атомно-слоистого осаждения (ALD) тонкого Al ₂ . О ₃ пленки (50 нм). Тонкий металлический Pd (40 нм) был нанесен на слой диэлектрика для использования в качестве электродов затвора. Для улучшения электронных характеристик устройства отжигаются при ~ 120 ° C в течение ~ 12 часов в вакууме ~ 10 ⁻⁵ . Торр.

Характеристики

Спектры комбинационного рассеяния света и фотолюминесценции (PL) получали с помощью коммерческой конфокальной рамановской спектроскопии (Micro Raman / PL / TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). Длина волны и размер пятна лазера составляют 532 нм и 1-2 мкм соответственно. Были использованы типичные решетки с плотностью 300 г / мм для PL (низкое разрешение), чтобы получить широкополосный спектр, и (высокое разрешение) 1800 г / мм для сигналов комбинационного рассеяния, чтобы получить подробную информацию о материале. Образцы ПЭМ были приготовлены с использованием стандартной техники переноса ПММА для размещения графен-WSe ₂ нанолистов на решетку из дырявого углерода Cu. Изображения ПЭМ были выполнены при ускоряющем напряжении 80 кВ (Cs-исправленный STEM, JEOL, JEM-ARM200F). Электрические измерения были измерены с помощью анализатора полупроводниковых устройств Agilent B1500a.

Результаты и обсуждение

Для управления синтезом бокового гетероперехода графена и WSe ₂ , последовательный рост ДПМ монослоя на краях графена показан на рис. 1а. Монослойный графен сначала выращивают на медной фольге, а затем переносят на свежую сапфировую подложку с помощью стандартного метода переноса с помощью ПММА. Обычная электронно-лучевая литография и O ₂ Процессы плазменного травления проводятся для определения области последовательного роста монослоя WSe ₂ . Прямой синтез монослоя WSe ₂ на краях узорчатого графена на сапфировой подложке достигается методом химического осаждения из паровой фазы при низком давлении с PTAS в качестве промотора затравки. Более подробная информация о синтезе описана в разделе «Методика / Экспериментальная часть». На рис. 1b показано рамановское отображение полосы G ’в сшитом по бокам графеном-WSe ₂ демонстрирует равномерный контраст, что подтверждает уменьшение повреждения предварительно структурированного графена после последовательного CVD-синтеза WSe ₂ рост. На рис. 1c, АСМ изображение узорчатого роста графена-WSe ₂ указывает на гладкую морфологию поверхности монослойного гетероперехода. На рис. 1г представлены спектры комбинационного рассеяния света E _2g режим (WSe ₂ - синий) и полоса G ’(графен - зеленый) в качестве меток на рис. 1c, что согласуется с опубликованными исследованиями [34]. Чтобы проиллюстрировать однородность гетероперехода после выращивания, было проведено рамановское отображение структурированного графена-WSe ₂ показан на рис. 1 e и f соответственно. Четко наблюдается равномерный контраст интенсивности комбинационного рассеяния на картированных изображениях, что предполагает контролируемый синтез при гетерогенном росте высококачественного монослоя WSe ₂ по краям графена с предварительно нанесенным рисунком.

Контролируемый рост WSe ₂ на узорчатом графене. а Схема сшитого сбоку WSe ₂ -синтез графена. б Рамановское отображение для полосы G ’графена и c АСМ изображение узорчатого роста WSe ₂ -графен. г Рамановские спектры E _2g режим (WSe ₂ - синий) и полоса G ’(графен - зеленый) в c . Рамановское отображение e E _2g режим WSe ₂ и е полоса G ’графена в монослойном гетеропереходе

Чтобы прояснить поведение роста сшитого графен-TMD, WSe ₂ Синтез узорчатого графена осуществляется с промоторами и без них. На рисунках 2 a и b показаны WSe ₂ рост при различных температурах без PTAS в качестве промотора посева. Выше 850 ° C последовательный рост WSe ₂ появляется на краях графена. Высокая температура роста WSe ₂ рост необходим из-за снижения газообразных реагентов для твердого предшественника WO ₃ , как описано в предыдущих статьях [29,30,31]. Макроскопически гладкая граница выращенного WSe ₂ подразумевает случайное распределение и малый размер зерен. Напротив, последовательный WSe ₂ Рост при различных температурах с PTAS в качестве промотора посева представлен на рис. 2 c и d. Промоторы PTAS значительно снижают температуру роста для идеального последовательного WSe ₂ рост на краях графена с большими размерами доменов, что аналогично поведению роста в гетеропереходах TMD-TMD [22]. После последовательного WSe ₂ рост при 800 ° C, наблюдение равномерного контраста и более высокой интенсивности в рамановском картировании полосы G ’(графен) указывает на уменьшенное повреждение графена из-за низкотемпературного роста. При повышенной температуре непрерывный WSe ₂ пленка заполняет узорчатые области с идеальным контактом с краями узорчатого графена (рис. 2d). Обратите внимание, что больший размер домена с четкой треугольной формой монослоя WSe ₂ пришитые к краям графена (рис. 2c), что свидетельствует о более высоком качестве последовательного WSe ₂ рост. С оптимизированными условиями роста для стимуляторов посева и температуры, масштабируемый и высококачественный монослой WSe ₂ реализуется системой LPCVD, как указано во вспомогательной информации (Дополнительный файл 1:Рисунок S1). Примечательно, что последовательный синтез TMD на краях узорчатого графена повсеместно наблюдается в других гетеропереходах другого TMD и графена, как показано во вспомогательной информации (дополнительный файл 1:рисунок S2).

Температурно-зависимый WSe ₂ рост с промотором посева:оптические изображения, изображения рамановского картирования A _1g режим (WSe ₂ ) и полоса G ’(графен) образцов, синтезированных при разных температурах a , b без и c , d с PTAS в качестве промоутера высева

Для дальнейшего исследования гетероперехода WSe ₂ -графен, выполняется измерение просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM). На рис. 3a выделенная область ПЭМ-изображение показывает, что область перекрытия между черными (конец графена) и зеленой (конец TMD) пунктирными линиями состоит из предварительно структурированного графена и последовательно выращенного WSe ₂ монослой. Ширина перекрывающейся области около 500 нм. Как и ожидалось, наблюдается ПЭМ-изображение аморфного типа для решетки графена из-за неизбежных искажений графена с помощью пучка энергичных электронов. На рис. 3 c и d представлены расчетные и экспериментальные наблюдения на изображении HRTEM для лучшего понимания последовательного роста TMD на гетеропереходе. Наблюдение гексагональной решетки и элементарной ячейки графена (~ 2,5 Å) и WSe ₂ (~ 3,3 Å) согласуется с параметрами в объемных решетках графена (2,46 Å) и WSe ₂ (3,28 Å). Характеристики ПЭМ показывают, что последовательные WSe ₂ рост начинается на краях предварительно структурированного графена, потому что более высокая плотность дефектов на краю графена увеличивает вертикальный рост островков с большим количеством мест зарождения. Большое несоответствие решеток (более 20%) между решеткой графена и TMD может быть причиной беспорядочной границы раздела с более высокой плотностью дефектов и за комбинированный вертикальный и латеральный рост TMD на гетеропереходе. Кроме того, на вставках на рис. 3d показаны соответствующие дифрактограммы, полученные с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) реальных космических изображений атомов в области перекрытия и области графена. Только один набор дифракционных картин наблюдается в области графена (слева), в то время как два набора дифракционных картин, повернутых на угол закручивания 0,35 °, наблюдаются в области перекрытия (справа). Сильно уменьшенный угол закручивания между графеном и WSe ₂ решеток означает, что последовательный рост WSe ₂ способствует когерентному наложению на краях графена.

ПЭМ-исследование гетероперехода латерально сшитого графена-WSe ₂ . а Изображение с малым увеличением, b схематические иллюстрации, c смоделировано, и d наблюдаемые HRTEM-изображения гетероперехода графен-WSe ₂ . На правой вставке показано БПФ-изображение области перекрытия уложенных друг на друга WSe ₂ на графене, а на левой вставке - графен. Рамановское отображение e E _2g режим WSe ₂ и е полоса G ’графена в монослойном гетеропереходе

Для демонстрации полевых свойств выращенного WSe ₂ Прошитое по краям узорчатого графенового гетероустройства, устройство изготавливается без переноса образца. Разработан индивидуальный процесс изготовления, основанный на функциональности поверхности для электронно-лучевой литографии на изоляторе. Электронные транспортные характеристики сшитого графена-WSe ₂ Устройство изучается путем соединения металлических электродов (Pd 40 нм) с узорчатым графеном и нанесения Al ₂ О ₃ (50 нм) в качестве диэлектрика затвора. На рис. 4а и b показаны схематические изображения устройства с верхним затвором на гетеропереходе и оптическое изображение готового устройства соответственно. Двухполюсные электронные транспортные измерения выполняются с использованием коммерческой зондовой станции (Lake Shore Cryotronics PS-100 с Agilent B1500a) в вакууме при комнатной температуре. Передаточная кривая устройства демонстрирует транспортное поведение p-типа с соотношением включения / выключения (~ 10 ⁴ ) и большой рабочий ток около нескольких 100 нА (рис. 4c). Полевая подвижность устройства в линейной области составляет около 0,07 см ² . / Против при V _d =2 В, которое рассчитывается с помощью следующего уравнения:

где C _бык = ε ₀ ε _r / d - емкость оксида и L (9 мкм) и W (24 мкм) - длина канала и ширина канала соответственно. Кроме того, выходные кривые устройства при различных напряжениях затвора показаны на рис. 4d. Линейный I - V кривые подтверждают хороший контакт между слоем графена и WSe ₂ слой. Улучшенные электронные характеристики гетеропереходов сшитого монослоя TMD-графена достигаются благодаря улучшенным контактным свойствам, что позволяет предположить, что синтез для последовательного роста TMD на краях графена с искусственным рисунком делает значительный шаг в направлении 2D-наноэлектроники.

Электронное исполнение WSe ₂ со сшитыми графеновыми контактами. а Схема, b оптическое изображение, c передаточная кривая и d выходные кривые однослойного гетероперехода с верхним стробированием из сшитого графена-WSe ₂

Выводы

Последовательный WSe ₂ Рост на краях графена с рисунком достигается на сапфире с помощью LPCVD с промотором. Промоторы PTAS значительно снижают температуру роста для идеального последовательного WSe ₂ рост на краях графена с большими размерами доменов.

Характеристики ПЭМ показывают, что последовательные WSe ₂ рост начинается на краях предварительно структурированного графена. Сильно уменьшенный угол закручивания между графеном и WSe ₂ решеток означает, что последовательные WSe ₂ рост способствует когерентному наложению на краях графена. Улучшенные электронные характеристики сшитых гетеропереходов однослойного TMD-графена достигаются благодаря улучшенным контактным свойствам.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью и файлы с дополнительной информацией к ней.

Сокращения

2D:

Двумерный

AES:

Электронная оже-спектроскопия

EIS:

Электрохимическая импедансная спектроскопия

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов

XPS:

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

XRD:

Рентгеновская дифракция