Crecimiento selectivo de WSe2 con contactos de grafeno

Resumen

La nanoelectrónica de materiales bidimensionales (2D) y las aplicaciones relacionadas se ven obstaculizadas por problemas de contacto críticos con las monocapas semiconductoras. Para resolver estos problemas, un desafío fundamental es la fabricación selectiva y controlable de transistores ambipolares o de tipo p con una barrera Schottky baja. La mayoría de los transistores de tipo p se demuestran con seleniuros de tungsteno (WSe ₂ ) pero se requiere una temperatura de crecimiento alta. Aquí, utilizamos el promotor de siembra y el proceso de CVD de baja presión para mejorar WSe ₂ secuencial crecimiento con una temperatura de crecimiento reducida de 800 ° C para reducir las fluctuaciones de composición y alta calidad de la heterointerfaz. Comportamiento de crecimiento del WSe secuencial ₂ Se discute el crecimiento en el borde del grafeno estampado. Con condiciones de crecimiento optimizadas, interfaz de alta calidad del WSe ₂ cosido lateralmente -El grafeno se consigue y caracteriza con microscopía electrónica de transmisión (TEM). Fabricación de dispositivos y prestaciones electrónicas del WSe ₂ cosido lateralmente -Se presentan grafeno.

Introducción

Los materiales monocapa de van der Waals, como el grafeno y el dicalcogenuro de metal de transición (TMD), exhiben un excelente rendimiento electrónico y un cuerpo atómicamente grueso sin enlaces colgantes en la superficie, lo que ofrece soluciones potenciales para el límite fundamental de los materiales del canal en la ley de Moore, como el canal corto. efectos y diversos desafíos en la escala [1, 2]. En la última década, la nanoelectrónica de materiales bidimensionales (2D) y las aplicaciones relacionadas se vieron muy obstaculizadas por problemas de contacto críticos con las monocapas semiconductoras de TMD debido al efecto de fijación de nivel de Fermi significativo debido a los defectos involucrados en los procesos sintéticos, de fabricación e integración [ 3,4,5,6]. Esfuerzos considerables, incluida la ingeniería de fase de los materiales del canal (desde la fase 1H semiconductora hasta la fase 1T conductora) [7], la geometría de los contactos [8,9,10,11] y la ingeniería de la interfaz con la capa amortiguadora de grafeno [12, 13], se llevan a cabo para rendimientos electrónicos esenciales con propiedades de contacto mejoradas.

Recientemente, la integración de grafeno conductor y TMD semiconductora para contactos mejorados y propiedades novedosas se realiza mediante el crecimiento directo de TMD utilizando deposición de vapor químico en el borde del grafeno modelado artificialmente [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21] . Las heterouniones entre diferentes materiales 2D permiten la multifuncionalidad esencial de los canales monocapa para una mayor capacidad e integración [22,23,24,25,26,27]. La barrera de tunelización débil se logra en la heterounión del MoS ₂ cosido lateralmente -grafeno, que habilita puertas inversoras y negativas-Y (NAND) para un conjunto completo de circuitos lógicos basados en materiales 2D [16, 17]. El siguiente objetivo esencial es realizar unidades electrónicas básicas de inversores semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) y otros circuitos lógicos con materiales 2D escalables. Hacia este objetivo, sin embargo, sigue siendo un desafío duradero en la fabricación selectiva y controlable de transistores de tipo p o ambipolares con una barrera de Schottky baja [28]. La mayoría de los transistores de tipo p se demuestran con seleniuros de tungsteno (WSe ₂ ) pero se requiere una temperatura alta para el WSe ₂ crecimiento debido a una temperatura de evaporación más alta del WO ₃ precursor [29,30,31]. Una síntesis a baja temperatura del crecimiento secuencial de la monocapa en los materiales 2D prediseñados se logra principalmente con TMD basado en Mo.

Aquí, utilizamos el promotor de siembra y el proceso de CVD de baja presión para mejorar WSe ₂ secuencial crecimiento con una temperatura de crecimiento reducida para reducir las fluctuaciones de composición y alta calidad de la heterointerfaz [32, 33]. Comportamiento de crecimiento del WSe secuencial ₂ Se discute el crecimiento en el borde del grafeno estampado. Con condiciones de crecimiento optimizadas, interfaz de alta calidad del WSe ₂ cosido lateralmente -El grafeno se consigue y se estudia con TEM. Fabricación de dispositivos y prestaciones electrónicas del WSe ₂ cosido lateralmente -Se presentan grafeno.

Método / Experimental

Síntesis de WSe ₂ y grafeno

WSe de área grande ₂ las películas se sintetizaron en zafiro y SiO ₂ / Sustratos de Si en el horno. Antes del proceso de crecimiento, los sustratos se limpiaron con acetona, isopropanol y luego agua durante 10 min, respectivamente. La sal tetrapotásica del ácido perileno-3,4,9,10-tetracarboxílico (PTAS) se revistió uniformemente sobre la superficie del sustrato como promotores de siembra para mejorar la actividad y la tasa de crecimiento de las monocapas. Precursores sólidos de alta pureza de WO ₃ (Alfa Aesar, 99,9995% CAS # 1313-27-5) y Se (Sigma-Aldrich, 99,5% CAS # 7704-34-9) se colocaron en dos crisoles de cerámica, y los sustratos se colocaron boca arriba y junto al WO ₃ polvo. El WSe ₂ las muestras se sintetizaron durante 800 ~ 900 ° C durante 10 min con una velocidad de calentamiento de 30 ° C min ⁻¹ y bajo una mezcla de N ₂ / H ₂ flujo a 1.2 Torr. El grafeno se sintetiza en una lámina de Cu a 1000 ° C durante 10 min con una velocidad de calentamiento de 30 ° C min ⁻¹ y bajo una mezcla de CH ₄ / H ₂ flujo a 4 Torr. El patrón de grafeno se realiza mediante litografía con haz de electrones y grabado con plasma de oxígeno.

Fabricación de dispositivos

El grafeno-WSe ₂ Los dispositivos se fabricaron sin transferencia de muestras. Se realizó un proceso de litografía con haz de electrones para definir los electrodos en la capa de grafeno estampada. Se depositó una fina capa de metal de Pd (40 nm) usando evaporación por haz de electrones y se llevó a cabo el siguiente proceso de despegue en acetona. La capa de encapsulación y el dieléctrico de la puerta del dispositivo se fabrican mediante el uso de deposición de capa atómica (ALD) de Al ₂ delgado O ₃ películas (50 nm). Se depositó un metal delgado de Pd (40 nm) sobre la capa dieléctrica para usar como electrodos de puerta. Para mejorar el rendimiento electrónico, los dispositivos se recocen a ~ 120 ° C durante ~ 12 h en un entorno de vacío de ~ 10 ⁻⁵ Torr.

Caracterizaciones

Los espectros Raman y la fotoluminiscencia (PL) se obtuvieron mediante espectroscopía Raman confocal comercial (espectrómetro Micro Raman / PL / TR-PL, Ramaker, Protrustech). La longitud de onda y el tamaño del punto del láser son 532 nm y 1-2 μm, respectivamente. Se utilizaron rejillas típicas con 300 g / mm para PL (baja resolución) para obtener un espectro de banda ancha y (alta resolución) 1800 g / mm para señales Raman para obtener información detallada del material. Las muestras de TEM se prepararon mediante el uso de una técnica de transferencia de PMMA estándar para colocar el grafeno-WSe ₂ nanohojas en la rejilla de Cu de carbono agujereado. Las imágenes TEM se realizaron a un voltaje de aceleración de 80 kV (STEM corregido por Cs, JEOL, JEM-ARM200F). Las mediciones eléctricas se midieron con un analizador de dispositivos semiconductores Agilent B1500a.

Resultados y discusión

Para controlar la síntesis de la heterounión lateral de grafeno y WSe ₂ , el crecimiento secuencial de la TMD monocapa en los bordes de grafeno se demuestra en la Fig. 1a. El grafeno monocapa se cultiva primero en una lámina de cobre y luego se transfiere a un sustrato de zafiro fresco mediante el método de transferencia estándar asistido por PMMA. Litografía convencional con haz de electrones y O ₂ Los procesos de grabado con plasma se llevan a cabo para definir la región para el crecimiento secuencial de la monocapa WSe ₂ . Síntesis directa de monocapa WSe ₂ en los bordes del grafeno estampado sobre sustrato de zafiro se logra mediante CVD a baja presión con PTAS como promotores de siembra. Se describe información más detallada sobre la síntesis en la sección "Método / Experimental". En la Fig. 1b, mapeo Raman de la banda G 'en el grafeno-WSe ₂ cosido lateralmente muestra un contraste uniforme, que confirma un daño reducido del grafeno prediseñado después de la síntesis secuencial de CVD del WSe ₂ crecimiento. En la Fig. 1c, imagen AFM del crecimiento modelado del grafeno-WSe ₂ indica una morfología de superficie lisa de la heterounión monocapa. La Figura 1d presenta los espectros Raman de E _2g modo (WSe ₂ —Azul) y la banda G '(grafeno — verde) como las etiquetas en la Fig. 1c, que son consistentes con los estudios reportados [34]. Para ilustrar la uniformidad de la heterounión a medida que crece, el mapeo Raman del patrón grafeno-WSe ₂ se muestra en la Fig. 1 eyf, respectivamente. Se observa claramente un contraste uniforme de la intensidad Raman en las imágenes de mapeo, lo que sugiere una síntesis controlable en el crecimiento heterogéneo de monocapa de alta calidad WSe ₂ en los bordes del grafeno prediseñado.

Crecimiento controlado de WSe ₂ en grafeno estampado. un Esquema del WSe ₂ cosido lateralmente -síntesis de grafeno. b Mapeo Raman para la banda G ’del grafeno y c Imagen AFM del crecimiento modelado del WSe ₂ -grafeno. d Espectros Raman de E _2g modo (WSe ₂ —Azul) y la banda G '(grafeno — verde) en c . Mapeo Raman de e el E _2g modo de WSe ₂ y f la banda G 'del grafeno en la heterounión monocapa

Para aclarar el comportamiento de crecimiento del grafeno-TMD cosido, el WSe ₂ La síntesis en el grafeno modelado se lleva a cabo con y sin promotores. Las figuras 2 ayb sugieren el WSe ₂ crecimiento a diferentes temperaturas sin PTAS como promotor de siembra. Por encima de 850 ° C, el crecimiento secuencial de WSe ₂ aparece en los bordes de grafeno. Una temperatura de crecimiento alta para WSe ₂ Se requiere crecimiento debido a la reducción de reactivos gaseosos para el precursor sólido del WO ₃ , como se elaboró en artículos anteriores [29,30,31]. Un límite macroscópicamente liso del WSe ₂ recién crecido Implica granos distribuidos aleatoriamente y de pequeño tamaño. En contraste, el WSe secuencial ₂ El crecimiento a diferentes temperaturas con PTAS como promotor de siembra se presenta en la Fig. 2 cy d. Los promotores PTAS reducen significativamente la temperatura de crecimiento para un WSe secuencial perfecto ₂ crecimiento en los bordes del grafeno con tamaños de dominio más grandes, que es similar al comportamiento de crecimiento en las heterouniones TMD-TMD [22]. Después de la secuencia WSe ₂ crecimiento a 800 ° C, la observación de un contraste uniforme y una mayor intensidad en el mapeo Raman de la banda G '(grafeno) indica un daño reducido del grafeno debido al crecimiento a baja temperatura. Con aumento de temperatura, un WSe ₂ continuo la película rellena las regiones con patrón con un contacto ideal con los bordes del grafeno con patrón (Fig. 2d). Tenga en cuenta que un tamaño de dominio más grande con una forma triangular clara de la monocapa WSe ₂ cosido a los bordes del grafeno (Fig. 2c), lo que sugiere una mejor calidad del WSe secuencial ₂ crecimiento. Con condiciones de crecimiento optimizadas en los promotores de siembra y la temperatura, monocapa escalable y de alta calidad WSe ₂ se realiza mediante el sistema LPCVD como se presenta en la información de respaldo (archivo adicional 1:Figura S1). Cabe señalar que la síntesis secuencial de TMD en los bordes del grafeno con patrón se observa universalmente en otras heterouniones de diferentes TMD y grafeno, como se muestra en la información de apoyo (archivo adicional 1:Figura S2).

WSe ₂ dependiente de la temperatura crecimiento con promotor de siembra:imágenes ópticas, imágenes de mapeo Raman de A _1g modo (WSe ₂ ) y la banda G ’(grafeno) de las muestras que se sintetizan a diferentes temperaturas a , b sin y c , d con PTAS como promotor de siembra

Para investigar más a fondo la heterounión del WSe ₂ -Se realiza medición de grafeno, microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM). En la Fig. 3a, la imagen TEM del área seleccionada indica que la región de superposición entre las líneas punteadas negras (extremo de grafeno) y verdes (extremo de TMD) está compuesta por el grafeno con patrón previo y el WSe ₂ de crecimiento secuencial. monocapa. El ancho de la región de superposición es de aproximadamente 500 nm. Como se esperaba, se observa una imagen TEM de tipo amorfo para la red de grafeno debido a las inevitables distorsiones del grafeno con el haz de electrones energético. La Figura 3 cyd presentan la observación calculada y experimental en la imagen HRTEM para una mejor comprensión del crecimiento secuencial de TMD en la heterounión. Observación de celosías hexagonales y celda unitaria de grafeno (~ 2,5 Å) y WSe ₂ (~ 3.3 Å) es consistente con los parámetros en las celosías de grafeno (2.46 Å) y WSe ₂ (3,28 Å). Las caracterizaciones TEM indican que la secuencia WSe ₂ el crecimiento se inicia en los bordes del grafeno prediseñado porque una mayor densidad de defectos en el borde del grafeno mejora el crecimiento de la isla vertical con más sitios de nucleación. Un gran desajuste de celosía de más del 20% entre el entramado de grafeno y TMD podría ser responsable de una interfaz de trastorno con mayor densidad de defectos y del crecimiento combinado vertical y lateral de TMD en la heterounión. Además, los recuadros de la Fig. 3d muestran los difractogramas correspondientes mediante la transformada rápida de Fourier (FFT) de imágenes atómicas espaciales reales en la región de superposición y la región de grafeno. Solo se observa un conjunto de patrones de difracción en la región del grafeno (izquierda), mientras que dos conjuntos de patrones de difracción rotados con un ángulo de torsión de 0,35 ° se observan en la región superpuesta (derecha). Un ángulo de torsión muy reducido entre el grafeno y WSe ₂ celosías implica que el crecimiento secuencial del WSe ₂ favorece el apilamiento coherente en los bordes del grafeno.

Caracterización TEM de la heterounión del grafeno-WSe ₂ cosido lateralmente . un Imagen con poco aumento, b ilustraciones esquemáticas, c simulado y d observaron imágenes HRTEM de la heterounión del grafeno-WSe ₂ . El recuadro derecho muestra la imagen FFT de la región de superposición del WSe ₂ apilado en grafeno, mientras que el recuadro izquierdo muestra el del grafeno. Mapeo Raman de e el E _2g modo de WSe ₂ y f la banda G 'del grafeno en la heterounión monocapa

Para demostrar las propiedades de efecto de campo del WSe ₂ recién crecido cosido en los bordes del heterodispositivo de grafeno estampado, el dispositivo se fabrica sin transferencia de muestra. Se desarrolla un proceso de fabricación personalizado basado en la funcionalidad de la superficie para la litografía de haz de electrones en un aislante. Rendimiento de transporte electrónico del grafeno-WSe ₂ cosido El dispositivo se estudia conectando electrodos metálicos (Pd 40 nm) con el grafeno estampado y depositando Al ₂ O ₃ (50 nm) como dieléctrico de puerta. Las figuras 4 ayb muestran la ilustración esquemática del dispositivo de heterounión con compuerta superior y la imagen óptica del dispositivo fabricado, respectivamente. Las mediciones de transporte electrónico de dos terminales se llevan a cabo utilizando una estación de sonda comercial (Lake Shore Cryotronics PS-100 con Agilent B1500a) al vacío a temperatura ambiente. La curva de transferencia del dispositivo muestra un comportamiento de transporte de tipo p con una relación de encendido / apagado (~ 10 ⁴ ) y alta corriente de aproximadamente unos 100 nA (Fig. 4c). La movilidad de efecto de campo del dispositivo en la región lineal es de aproximadamente 0,07 cm ² / Vs en V _d =2 V, que se evalúa mediante la siguiente ecuación:

$$ \ mu =\ frac {1} {C _ {\ mathrm {ox}}} \ frac {L} {W} \ frac {\ parcial {I} _ {\ mathrm {D}}} {\ parcial {V } _ {\ mathrm {G}}} \ frac {1} {V _ {\ mathrm {D}}} $$ (1)

donde C _buey = ε ₀ ε _r / d es la capacitancia de óxido y L (9 μm) y W (24 μm) son la longitud y el ancho del canal, respectivamente. Además, las curvas de salida del dispositivo a varios voltajes de puerta se muestran en la Fig. 4d. El yo lineal - V las curvas confirman un buen contacto entre la capa de grafeno y WSe ₂ capa. Se logra un rendimiento electrónico mejorado de las heterouniones de monocapa de TMD-grafeno cosidas debido a propiedades de contacto mejoradas, lo que sugiere que la síntesis para el crecimiento secuencial de TMD en los bordes del grafeno con patrones artificiales da un paso significativo hacia la nanoelectrónica 2D.

Rendimiento electrónico del WSe ₂ con contactos de grafeno cosidos. un El esquema, b la imagen óptica, c la curva de transferencia, y d curvas de salida del dispositivo de heterounión monocapa con compuerta superior del grafeno-WSe ₂ cosido

Conclusiones

WSe secuencial ₂ El crecimiento en los bordes del grafeno modelado se logra en zafiro utilizando LPCVD asistido por promotor. Los promotores PTAS reducen significativamente la temperatura de crecimiento para un WSe secuencial ideal ₂ crecimiento en los bordes del grafeno con tamaños de dominio más grandes.

Las caracterizaciones TEM indican que la secuencia WSe ₂ el crecimiento se inicia en los bordes del grafeno prediseñado. Un ángulo de torsión muy reducido entre el grafeno y WSe ₂ celosías implica que el WSe secuencial ₂ el crecimiento favorece el apilamiento coherente en los bordes del grafeno. Se logra un rendimiento electrónico mejorado de las heterouniones de monocapa de TMD-grafeno cosidas debido a las propiedades de contacto mejoradas.