Investigación de la nitruración en la alineación de la banda en las interfaces MoS2 / HfO2

Resultados y discusiones

Se empleó la espectroscopía RENISHAW inVia Raman para caracterizar los espectros Raman de MoS ₂ de pocas capas película antes y después del procedimiento de transferencia, como se ilustra en la Fig. 1b. Se pueden ver dos picos Raman a unos 382,86 cm ⁻¹ y 406,43 cm ⁻¹ , correspondiente al plano (\ ({E} _ {2g} ^ 1 \)) y fuera del plano ( A _{1 g} ) modos, respectivamente [25, 26]. Se encontró que casi no hay cambio Raman en \ ({E} _ {2g} ^ 1 \) y A _{1 g} frecuencias de modo después del proceso de transferencia, lo que indica una modificación mínima de la estructura. La diferencia de frecuencia ( ∆k ) entre \ ({E} _ {2g} ^ 1 \) y A _{1 g} se dedujo que el modo era de aproximadamente 23,57 cm ⁻¹ , designando alrededor de cuatro a cinco capas de MoS ₂ película [27]. Como se muestra en el recuadro de la Fig. 1b, el grosor de MoS ₂ Se verificó que la película era de aproximadamente 2,8 nm mediante un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (HRTEM), lo que concuerda con los espectros Raman antes mencionados. Además, presentamos perfiles de profundidad SIMS de MoS ₂ transferidos película sobre HfO nitrurado ₂ / Sustrato de Si. La medición SIMS se realizó en un instrumento Physical Electronics ADEPT 1010 SIMS con haz de iones primarios Cs a la energía de 1 keV, en el cual se recolectaron iones positivos y se realizó compensación de carga. En esta medición SIMS, el elemento nitrógeno se cuantificó, mientras que los otros elementos (Mo, Hf y Si) solo se entienden como marcadores de capa y no se cuantifican. Como se ilustra en la Fig. 2a, los perfiles de profundidad para MoS ₂ transferidos película sobre HfO nitrurado ₂ El sustrato / Si se determinó mediante SIMS, en el que las señales de los componentes principales representados por Mo, N, Hf y Si se representan frente a la profundidad. La propagación de N en el HfO ₂ Se observó una capa, que podría estar intrigada por la inyección de N en la capa subyacente durante los bombardeos de haz primario o los tratamientos con plasma. También vale la pena señalar que los perfiles de profundidad cerca de la capa superficial son normalmente complicados y sin sentido debido a la contaminación de la superficie y los efectos de la superficie, por ejemplo, la intensidad anormal del elemento N cerca de la superficie [28]. La señal más alta del perfil N cerca del HfO ₂ / Si la interfaz podría atribuirse a que el nitrógeno tiende a difundirse al HfO ₂ / Si interfaz, que conduce a la acumulación de N cerca de la interfaz [29]. La cola de Mo en HfO ₂ La película podría ser causada principalmente por bombardeos de haz primario en las mediciones SIMS [30]. La Figura 2b ilustra los respectivos espectros XPS de N 1s para las muestras 3 # y 4 #; los picos de alta intensidad para ambas heterouniones fueron Mo 3p _3/2 mientras que se detectó un pico de baja intensidad a ~ 395.80 eV para la heterounión nitrurada, lo que indica la formación de enlaces Mo-N [31].

un Perfiles de profundidad SIMS de MoS transferido ₂ película sobre HfO nitrurado ₂ / Sustrato de Si. b Espectros XPS de N 1s para MoS ₂ / HfO ₂ heterouniones con y sin tratamiento de nitruración, respectivamente

Para obtener las alineaciones de banda entre MoS ₂ de pocas capas y HfO ₂ con y sin tratamiento de nitruración, se llevaron a cabo mediciones de XPS con un paso de 0,05 eV en el sistema VG ESCALAB 220i-XL utilizando una fuente de rayos X monocromática de Al Kα (hν =1486,6 eV). La energía de paso constante se fijó en 20 eV. Además, se utilizó el estándar C 1s (284,8 eV) para la calibración de la energía de enlace (BE) [32]. Para evaluar los valores de VBO para MoS ₂ / HfO ₂ heterouniones, los niveles centrales (CL) de Mo 3d y Hf 4f se seleccionaron para la muestra 1-4 #, respectivamente. La Figura 3a presenta el escaneo estrecho XPS de Mo 3d y los espectros de banda de valencia de la muestra 1 # [33]. Por lo tanto, la diferencia de energía de enlace (BED) entre Mo 3d _5/2 El nivel del núcleo y el máximo de banda de valencia (VBM) para la muestra 1 # se calculó en 228,49 ± 0,1 eV. La Figura 3b ilustra los CL de Hf 4f _7/2 y VBM para la muestra 2 #; se determinó que el BED correspondiente era 14,10 ± 0,1 eV. La Figura 3c muestra los espectros XPS medidos de las CL de Mo 3d y Hf 4f para MoS ₂ / HfO ₂ heterouniones con / sin tratamiento de nitruración. Se observa que el Mo 3d _5/2 CL cambió de 229,45 ± 0,05 eV para la muestra 3 # a 229,90 ± 0,05 eV para la muestra 4 #. Esto podría atribuirse a que se introdujo una capa interfacial de nitruración en el MoS ₂ / HfO ₂ interfase después del tratamiento con plasma, dando como resultado la unión Mo-N antes mencionada. Con la presencia de enlace Mo-N, la consiguiente transferencia de carga entre los elementos Mo y N contribuyó a la medición de Mo 3d _5/2 Cambio CL. Además, el Hf 4f _7/2 El CL de 17,40 ± 0,05 eV para la muestra 3 # se cambió a una energía de enlace más alta de 17,60 ± 0,05 eV para la muestra 4 # mientras que O 1s también mostró un cambio de 0,20 eV a un BED más alto, como se muestra en la Fig. 3d. Estos cambios máximos implicaron la flexión de la banda hacia abajo en el HfO ₂ superficie, lo que podría interpretarse como que el plasma de nitrógeno indujo defectos similares al donante para HfO ₂ [34]. Basado en el método Kraut [35], el VBO ( ∆E _V ) los valores se pueden calcular a partir de la siguiente ecuación:

donde \ ({E} _ {\ mathrm {Mo} \ 3 {\ mathrm {d}} _ {5/2}} ^ {\ mathrm {Mo} {\ mathrm {S}} _ 2} \) y \ ( {E} _ {\ mathrm {VBM}} ^ {\ mathrm {Mo} {\ mathrm {S}} _ 2} \) son energías de enlace de Mo 3d _5/2 CL y VBM para MoS ₂ , \ ({E} _ {\ mathrm {Hf} \ 4 {\ mathrm {f}} _ {7/2}} ^ {{\ mathrm {Hf} \ mathrm {O}} _ 2} \) y \ ( {E} _ {\ mathrm {VBM}} ^ {{\ mathrm {HfO}} _ 2} \) son energías de enlace de Hf 4f _7/2 CL y VBM para ALD-HfO ₂ , ∆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} \) se refiere al BED entre Mo 3d _5/2 y Hf 4f _7/2 CL para ALD-HfO ₂ / MoS ₂ heterouniones. Por lo tanto, el ∆E _V de MoS ₂ en ALD-HfO ₂ con y sin tratamiento de nitruración se calcularon en 2,09 ± 0,1 y 2,34 ± 0,1 eV, respectivamente.

un Espectros XPS de Mo 3d CL y banda de valencia para el MoS ₂ de pocas capas . b Espectros XPS de Hf 4f CL y banda de valencia para HfO ₂ a granel . Espectros XPS de c Mo 3d, Hf 4f y d CL de O 1s para MoS ₂ transferidos película a granel HfO ₂ con / sin tratamiento de nitruración

Para evaluar la influencia de N ₂ tratamiento con plasma en el desplazamiento de la banda de conducción (CBO, ∆E _C ) entre ALD-HfO ₂ y MoS ₂ de pocas capas , la banda prohibida de 5,9 ± 0,1 eV para HfO ₂ y 1,4 ± 0,1 eV para MoS ₂ se utilizaron aquí, respectivamente [7, 36]. Por lo tanto, la CBO se puede obtener mediante la siguiente ecuación:

$$ {\ Delta E} _C ={E} _g ^ {{\ mathrm {HfO}} _ 2} - {E} _g ^ {\ mathrm {Mo} {\ mathrm {S}} _ 2} - {\ Delta E } _V $$ (2)

donde \ ({E} _g ^ {{\ mathrm {HfO}} _ 2} \) y \ ({E} _g ^ {\ mathrm {Mo} {\ mathrm {S}} _ 2} \) son las bandas prohibidas de HfO ₂ y MoS ₂ , respectivamente. Según Eq. (2), el ∆E _C entre MoS ₂ y ALD-HfO ₂ con y sin tratamiento de nitruración se calcularon en 2,41 ± 0,1 y 2,16 ± 0,1 eV, respectivamente. Los diagramas de bandas correspondientes se ilustran en la Fig. 4. Sorprendentemente, los valores de VBO y CBO de estas dos heterouniones proporcionan excelentes confinamientos de electrones y huecos, lo que garantiza su idoneidad para MoS ₂ FET basados ​​en [37]. Además, la heterounión nitrurada tiene un CBO más alto en comparación con la heterounión no nitrurada, que es mejor para las aplicaciones de FET de canal n.

Diagramas de bandas de MoS ₂ / HfO ₂ heterounión a sin tratamiento de nitruración y b con tratamiento de nitruración

Conclusiones

En conclusión, las mediciones de XPS revelaron que la alineación de la banda en el MoS ₂ / HfO ₂ La interfaz podría modificarse introduciendo nitruración en HfO ₂ superficie antes de apilar MoS ₂ película. Se determinó que el CBO y el VBO eran 2,16 ± 0,1 y 2,34 ± 0,1 eV para el MoS ₂ no nitrurado / HfO ₂ heterounión, mientras que el CBO se alteró hasta 2,41 ± 0,1 eV y el VBO se alteró hasta 2,09 ± 0,1 eV para el MoS nitrurado ₂ / HfO ₂ heterounión, respectivamente. Se introdujo una capa interfacial de nitruración en la interfaz, que resultó en la formación de enlaces Mo-N. Además, el plasma de nitrógeno podría inducir defectos similares a los del donante, lo que provocaría que la banda de la superficie se doblara para HfO ₂ . De esta manera, la ingeniería de alineación de bandas interfaciales proporcionaría rutas prometedoras hacia el diseño flexible y la optimización de la electrónica moderna.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este manuscrito se incluyen dentro del manuscrito.

Abreviaturas

ALD:

Deposición de la capa atómica

BE:

Energía vinculante

BED:

Diferencia de energía vinculante

CBO:

Desplazamiento de la banda de conducción

CL:

Nivel básico

CVD:

Deposición de vapor químico

FET:

Transistor de efecto de campo

HfO2:

Óxido de hafnio

HRTEM:

Microscopio electrónico de transmisión de alta resolución

MoS ₂ :

Disulfuro de molibdeno

PMMA:

Poli (metacrilato de metilo)

SIMS:

Espectrometría de masas de iones secundarios

SL:

Una capa

TEMAH:

Tetrakis (etilmetilamido) hafnio

TMDC:

Dicalcogenuro de metal de transición

VBM:

Máximo de banda de valencia

VBO:

Desplazamiento de la banda de valencia

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

LED empaquetados a escala de mini chip planar de alta uniformidad con convertidor de punto cuántico para fuente de luz blanca Optimización y evaluación del método de pretratamiento para sp-ICP-MS para revelar la distribución de nanopartículas de plata en el cuerpo