Crescimento Controlado de WSe₂ em Baixa Temperatura sobre Grafeno para Transistores Tipo p Eficientes

Resumo

A nanoeletrônica de materiais bidimensionais (2D) e aplicações relacionadas enfrentam problemas críticos de contato com monocamadas semicondutoras. Para resolver essas questões, um desafio fundamental é a fabricação seletiva e controlável de transistores tipo p ou ambipolares com baixa barreira de Schottky. A maioria dos transistores tipo p é demonstrada com selenetos de tungstênio (WSe₂), mas requer alta temperatura de crescimento. Aqui, utilizamos promotor de semeadura e processo CVD de baixa pressão para melhorar o crescimento sequencial de WSe₂ com temperatura reduzida de 800 °C, diminuindo flutuações composicionais e garantindo alta qualidade de heterointerface. O comportamento de crescimento do WSe₂ sequencial na borda de grafeno padronizado é discutido. Com condições otimizadas, uma interface de alta qualidade do WSe₂-grafeno costurado lateralmente é alcançada e caracterizada por microscopia eletrônica de transmissão (MET). A fabricação de dispositivos e desempenho eletrônico do WSe₂-grafeno costurado lateralmente são apresentados.

Introdução

Monocamadas de materiais de van der Waals, como grafeno e dicalcogenetos de metais de transição (TMD), exibem excelentes desempenhos eletrônicos e corpo atomicamente espesso sem ligações pendentes na superfície, oferecendo soluções potenciais para o limite fundamental de materiais de canal na lei de Moore, como efeitos de canal curto e diversos desafios na escala. Na última década, a nanoeletrônica de materiais 2D e aplicações relacionadas são altamente prejudicadas por problemas críticos de contato com monocamadas semicondutoras de TMD devido ao significativo efeito de pinamento do nível de Fermi por defeitos envolvidos nos processos de síntese, fabricação e integração. Esforços consideráveis, incluindo engenharia de fase dos materiais de canal (da fase semicondutora 1H para fase condutora 1T), geometria de contatos e engenharia de interface com camada tampão de grafeno, são realizados para desempenhos eletrônicos essenciais com propriedades de contato melhoradas.

Recentemente, a integração de grafeno condutor e TMD semicondutor para contatos melhorados e propriedades inovadoras é realizada pelo crescimento direto de TMD usando deposição química de vapor na borda de grafeno artificialmente padronizado. Heterojunções entre diferentes materiais 2D permitem multifuncionalidade essencial dos canais de monocamada para capacidade e integração mais amplas. Barreira de tunelamento fraca é alcançada na heterojunção do MoS₂-grafeno costurado lateralmente, permitindo inversores e portas NAND negativas para um conjunto completo de circuitos lógicos baseados em materiais 2D. O próximo objetivo essencial é realizar unidades eletrônicas básicas de inversores CMOS complementares e outros circuitos lógicos com materiais 2D escaláveis. Para este objetivo, no entanto, permanece um desafio duradouro na fabricação seletiva e controlável de transistores tipo p ou ambipolares com baixa barreira de Schottky. A maioria dos transistores tipo p é demonstrada com selenetos de tungstênio (WSe₂), mas alta temperatura é necessária para o crescimento de WSe₂ devido à maior temperatura de evaporação do precursor WO₃. A síntese de baixa temperatura do crescimento sequencial de monocamada em materiais 2D pré-padronizados é alcançada principalmente com TMD à base de Mo.

Aqui, utilizamos promotor de semeadura e processo CVD de baixa pressão para melhorar o crescimento sequencial de WSe₂ com temperatura reduzida para flutuações composicionais reduzidas e alta qualidade de heterointerface. O comportamento de crescimento do WSe₂ sequencial na borda de grafeno padronizado é discutido. Com condições de crescimento otimizadas, interface de alta qualidade do WSe₂-grafeno costurado lateralmente é alcançada e estudada com MET. Fabricação de dispositivos e desempenhos eletrônicos do WSe₂-grafeno costurado lateralmente são apresentados.

Método/Experimental

Síntese de WSe₂ e Grafeno

Filmes de WSe₂ de grande área foram sintetizados em substratos de safira e SiO₂/Si no forno. Antes do processo de crescimento, os substratos foram limpos com acetona, isopropanol e depois água por 10 min, respectivamente. Sal tetrapotássico do ácido perilen-3,4,9,10-tetracarboxílico (PTAS) foi uniformemente revestido na superfície do substrato como promotores de semeadura para aumentar a atividade e taxa de crescimento das monocamadas. Precursores sólidos de alta pureza de WO₃ (Alfa Aesar, 99,9995% CAS#1313-27-5) e Se (Sigma-Aldrich, 99,5% CAS#7704-34-9) foram colocados em dois cadinhos cerâmicos, e os substratos foram colocados face para cima e próximo ao pó de WO₃. As amostras de WSe₂ foram sintetizadas durante 800~900 °C por 10 min com taxa de aquecimento de 30 °C min⁻¹ e sob fluxo de mistura N₂/H₂ a 1,2 Torr. Grafeno é sintetizado em folha de Cu a 1000 °C por 10 min com taxa de aquecimento de 30 °C min⁻¹ e sob fluxo de mistura CH₄/H₂ a 4 Torr. O grafeno padronizado é realizado por litografia de feixe de elétrons e gravação por plasma de oxigênio.

Fabricação de Dispositivos

Os dispositivos grafeno-WSe₂ foram fabricados sem transferência de amostra. Processo de litografia de feixe de elétrons foi realizado para definir os eletrodos na camada de grafeno padronizada. Uma fina camada metálica de Pd (40 nm) foi depositada usando evaporação por feixe de elétrons e um processo de lift-off subsequente foi realizado em acetona. Camada de encapsulamento e dielétrico de porta do dispositivo são fabricados usando deposição de camada atômica (ALD) de finos filmes de Al₂O₃ (50 nm). Um fino metal de Pd (40 nm) foi depositado na camada dielétrica para uso como eletrodos de porta. Para melhorar desempenhos eletrônicos, os dispositivos são recozidos a ~120 °C por ~12 h em ambiente de vácuo de ~10⁻⁵ Torr.

Caracterizações

Espectros de Raman e fotoluminescência (PL) foram obtidos por espectroscopia Raman confocal comercial (Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). Comprimento de onda e tamanho do ponto do laser são 532 nm e 1–2 μm, respectivamente. Grelhas típicas foram usadas com 300 g/mm para PL (baixa resolução) para obter espectro de banda larga e (alta resolução) 1800 g/mm para sinais de Raman para obter informação detalhada do material. As amostras de MET foram preparadas usando técnica padrão de transferência PMMA para colocar as nanoestruturas grafeno-WSe₂ na grade de Cu com carbono furado. As imagens de MET foram realizadas em tensão de aceleração de 80 kV (STEM corrigido Cs, JEOL, JEM-ARM200F). As medições elétricas foram medidas usando Analisador de Dispositivos Semicondutores Agilent B1500a.

Resultados e Discussão

Para controlar a síntese da heterojunção lateral de grafeno e WSe₂, o crescimento sequencial da monocamada TMD nas bordas do grafeno é demonstrado na Fig. 1a. Monocamada de grafeno é primeiro crescida em folha de cobre e depois transferida para substrato de safira fresco usando método padrão de transferência assistida por PMMA. Processos convencionais de litografia de feixe de elétrons e gravação por plasma O₂ são conduzidos para definir a região para crescimento sequencial da monocamada WSe₂. Síntese direta de monocamada WSe₂ nas bordas de grafeno padronizado em substrato de safira é alcançada por CVD de baixa pressão com PTAS como promotores de semeadura. Informações mais detalhadas sobre a síntese são descritas na seção "Método/Experimental". Na Fig. 1b, mapeamento Raman da banda G' no grafeno-WSe₂ costurado lateralmente exibe contraste uniforme, confirmando dano reduzido do grafeno pré-padronizado após síntese CVD sequencial do crescimento de WSe₂. Na Fig. 1c, imagem AFM do crescimento padronizado do WSe₂-grafeno indica morfologia de superfície suave da heterojunção de monocamada. A Figura 1d apresenta os espectros de Raman do modo E₂g (WSe₂—azul) e da banda G' (grafeno—verde) como rótulos na Fig. 1c, consistentes com estudos relatados. Para ilustrar uniformidade da heterojunção crescida, mapeamento Raman do grafeno-WSe₂ padronizado é mostrado nas Fig. 1e e f, respectivamente. Contraste uniforme da intensidade Raman nas imagens de mapeamento é claramente observado, sugerindo síntese controlável no crescimento heterogêneo de monocamada WSe₂ de alta qualidade nas bordas do grafeno pré-padronizado.

Para esclarecer comportamento de crescimento do grafeno-TMD costurado, a síntese de WSe₂ no grafeno padronizado é realizada com e sem promotores. Figuras 2a e b sugerem crescimento de WSe₂ em diferentes temperaturas sem PTAS como promotor de semeadura. Acima de 850 °C, o crescimento sequencial de WSe₂ aparece nas bordas do grafeno. Alta temperatura de crescimento para WSe₂ é necessária devido a reagentes gasosos reduzidos para o precursor sólido de WO₃, como elaborado em artigos anteriores. Limite macroscopicamente liso do WSe₂ crescido implica grãos de tamanho pequeno e distribuídos aleatoriamente. Em contraste, o crescimento sequencial de WSe₂ em diferentes temperaturas com PTAS como promotor de semeadura é apresentado nas Fig. 2c e d. Os promotores PTAS reduzem significativamente a temperatura de crescimento para crescimento sequencial perfeito de WSe₂ nas bordas do grafeno com maiores tamanhos de domínio, semelhante ao comportamento de crescimento em heterojunções TMD-TMD. Após crescimento sequencial de WSe₂ a 800 °C, observação de contraste uniforme e maior intensidade no mapeamento Raman da banda G' (grafeno) indica dano reduzido do grafeno devido ao crescimento em baixa temperatura. Com temperatura aumentada, filme contínuo de WSe₂ preenche as regiões padronizadas com contato ideal às bordas do grafeno padronizado (Fig. 2d). Nota-se que tamanho de domínio maior com forma triangular clara da monocamada WSe₂ costurada nas bordas do grafeno (Fig. 2c), sugerindo melhor qualidade do crescimento sequencial de WSe₂. Com condições de crescimento otimizadas em promotores de semeadura e temperatura, WSe₂ monocamada escalável e de alta qualidade é realizada pelo sistema LPCVD como apresentado na informação suplementar (Arquivo adicional 1: Figura S1). É notável que a síntese sequencial de TMD nas bordas de grafeno padronizado é universalmente observada em outras heterojunções de diferentes TMD e grafeno como mostrado na informação suplementar (Arquivo adicional 1: Figura S2).

Para investigar ainda mais a heterojunção do WSe₂-grafeno, medição de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (METAR) é realizada. Na Fig. 3a, imagem MET de área selecionada indica que a região de sobreposição entre linhas tracejadas pretas (extremidade do grafeno) e verdes (extremidade do TMD) é composta pelo grafeno pré-padronizado e monocamada WSe₂ crescida sequencialmente. Largura da região de sobreposição é cerca de 500 nm. Imagem MET amorfa para a rede de grafeno é observada como esperado devido a distorções inevitáveis do grafeno com feixe de elétrons energético. Figuras 3c e d apresentam observação calculada e experimental na imagem METAR para melhor compreensão do crescimento sequencial de TMD na heterojunção. Observação de redes hexagonais e célula unitária de grafeno (~2,5 Å) e WSe₂ (~3,3 Å) é consistente com parâmetros em redes de volume de grafeno (2,46 Å) e WSe₂ (3,28 Å). As caracterizações MET indicam que o crescimento sequencial de WSe₂ inicia nas bordas do grafeno pré-padronizado porque maior densidade de defeitos na borda do grafeno aumenta crescimento de ilhas vertical com mais sítios de nucleação. Grande descompasso de rede superior a 20% entre rede de grafeno e TMD pode ser responsável por interface desordenada com maior densidade de defeitos e para crescimento combinado vertical e lateral de TMD na heterojunção. Além disso, os insetos na Fig. 3d mostram os difratogramas correspondentes por transformada rápida de Fourier (FFT) de imagens atômicas de espaço real na região de sobreposição e região de grafeno. Apenas um conjunto de padrão de difração é observado na região de grafeno (esquerda), enquanto dois conjuntos de padrões de difração rotacionados com ângulo de torção de 0,35° são observados na região sobreposta (direita). Um ângulo de torção altamente reduzido entre redes de grafeno e WSe₂ implica que o crescimento sequencial do WSe₂ favorece empilhamento coerente nas bordas do grafeno.

Para demonstrar propriedades de efeito de campo do WSe₂ crescido costurado nas bordas de grafeno padronizado hetero-dispositivo, o dispositivo é fabricado sem transferência de amostra. Processo de fabricação personalizado baseado em funcionalidade de superfície para litografia de feixe de elétrons em isolante é desenvolvido. Desempenho de transporte eletrônico do dispositivo de heterojunção grafeno-WSe₂ costurado é estudado conectando eletrodos metálicos (Pd 40 nm) com grafeno padronizado e depositando Al₂O₃ (50 nm) como dielétrico de porta. Figuras 4a e b mostram ilustração esquemática do dispositivo de heterojunção com porta superior e imagem óptica do dispositivo fabricado, respectivamente. Medidas de transporte eletrônico de dois terminais são realizadas usando estação de sonda comercial (Lake Shore Cryotronics PS-100 com Agilent B1500a) sob vácuo à temperatura ambiente. A curva de transferência do dispositivo exibe comportamento de transporte tipo p com razão liga/desliga (~10⁴) e alta corrente de liga de aproximadamente algumas centenas de nA (Fig. 4c). A mobilidade de efeito de campo do dispositivo na região linear é cerca de 0,07 cm²/Vs a Vd = 2 V, avaliada usando a equação:

μ = (1/Cox) × (L/W) × (∂ID/∂VG) × (1/VD)

onde Cox = ε₀εr/d é a capacitância do óxido e L (9 μm) e W (24 μm) são comprimento e largura do canal, respectivamente. Além disso, as curvas de saída do dispositivo em várias tensões de porta são mostradas na Fig. 4d. As curvas I-V lineares confirmam bom contato entre camada de grafeno e camada de WSe₂. Desempenho eletrônico aprimorado das heterojunções de monocamada TMD-grafeno costurado é alcançado devido a propriedades de contato melhoradas, sugerindo que a síntese para crescimento sequencial de TMD nas bordas de grafeno artificialmente padronizado avança significativamente rumo à nanoeletrônica 2D.

Conclusões

Crescimento sequencial de WSe₂ nas bordas do grafeno padronizado é alcançado em safira usando LPCVD assistido por promotor. Os promotores PTAS reduzem significativamente a temperatura de crescimento para crescimento sequencial ideal de WSe₂ nas bordas do grafeno com maiores tamanhos de domínio.

As caracterizações MET indicam que o crescimento sequencial de WSe₂ inicia nas bordas do grafeno pré-padronizado. Um ângulo de torção altamente reduzido entre redes de grafeno e WSe₂ implica que o crescimento sequencial de WSe₂ favorece empilhamento coerente nas bordas do grafeno. Desempenho eletrônico aprimorado das heterojunções de monocamada TMD-grafeno costurado é alcançado devido a propriedades de contato melhoradas.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado e seus arquivos de informação suplementar.

Abreviações

2D:

Bidimensional

AES:

Espectroscopia de elétrons Auger

EIS:

Espectroscopia de impedância eletroquímica

SEM:

Microscopia eletrônica de varredura

TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão

TMD:

Dicalcogenetos de metais de transição

XPS:

Espectroscopia de fotoelétrons por raios X

XRD:

Difração de raios X