Crescimento seletivo de WSe2 com contatos de grafeno

Resumo

A nanoeletrônica de materiais bidimensionais (2D) e aplicações relacionadas são prejudicadas por problemas críticos de contato com as monocamadas semicondutoras. Para resolver esses problemas, um desafio fundamental é a fabricação seletiva e controlável de transistores do tipo p ou ambipolares com uma barreira de Schottky baixa. A maioria dos transistores tipo p são demonstrados com selenetos de tungstênio (WSe ₂ ), mas é necessária uma alta temperatura de crescimento. Aqui, utilizamos o promotor de semeadura e o processo CVD de baixa pressão para aprimorar o WSe ₂ sequencial crescimento com uma temperatura de crescimento reduzida de 800 ° C para flutuações composicionais reduzidas e alta qualidade de hetero-interface. Comportamento de crescimento do WSe sequencial ₂ o crescimento na borda do grafeno padronizado é discutido. Com condições de crescimento otimizadas, interface de alta qualidade do WSe ₂ costurado lateralmente -grafeno é obtido e caracterizado com microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Fabricação de dispositivos e performances eletrônicas do WSe costurado lateralmente ₂ -grafeno são apresentados.

Introdução

Materiais de monocamada van der Waals, como grafeno e dichalcogeneto de metal de transição (TMD), exibem excelentes desempenhos eletrônicos e corpo atomicamente espesso sem ligações pendentes na superfície, o que oferece soluções potenciais para o limite fundamental de materiais de canal na lei de Moore, como canal curto efeitos e vários desafios na escala [1, 2]. Na última década, a nanoeletrônica de materiais bidimensionais (2D) e aplicações relacionadas são altamente prejudicadas por problemas de contato críticos com as monocamadas TMD semicondutoras devido ao efeito significativo de fixação de nível de Fermi dos defeitos envolvidos nos processos de síntese, fabricação e integração [ 3,4,5,6]. Esforços consideráveis, incluindo a engenharia de fase dos materiais do canal (da fase semicondutora 1H para a fase condutora 1T) [7], geometria dos contatos [8,9,10,11] e engenharia de interface com camada tampão de grafeno [12, 13], são realizados para desempenhos eletrônicos essenciais com propriedades de contato aprimoradas.

Recentemente, a integração de grafeno condutor e TMD semicondutor para contatos aprimorados e novas propriedades é realizada pelo crescimento direto de TMD usando deposição de vapor químico na borda do grafeno padronizado artificialmente [14,15,16,17,18,19,20,21] . Heterojunções entre diferentes materiais 2D permitem a multifuncionalidade essencial dos canais de monocamada para maior capacidade e integração [22,23,24,25,26,27]. Barreira de tunelamento fraca é alcançada na heterojunção do MoS costurado lateralmente ₂ -grafeno, habilitando inversor e portas AND negativo (NAND) para um conjunto completo de circuitos lógicos baseados em materiais 2D [16, 17]. O próximo objetivo essencial é realizar unidades eletrônicas básicas de inversores semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS) e outros circuitos lógicos com materiais 2D escalonáveis. Para este objetivo, no entanto, permanece um desafio de longa duração na fabricação seletiva e controlável de transistores do tipo p ou ambipolares com uma barreira de Schottky baixa [28]. A maioria dos transistores tipo p são demonstrados com selenetos de tungstênio (WSe ₂ ), mas uma alta temperatura é necessária para o WSe ₂ crescimento devido a uma temperatura de evaporação mais alta do WO ₃ precursor [29,30,31]. Uma síntese de baixa temperatura do crescimento sequencial da monocamada nos materiais 2D pré-padronizados é obtida principalmente com TMD à base de Mo.

Aqui, utilizamos o promotor de semeadura e o processo CVD de baixa pressão para aprimorar o WSe ₂ sequencial crescimento com uma temperatura de crescimento reduzida para flutuações composicionais reduzidas e alta qualidade de hetero-interface [32, 33]. Comportamento de crescimento do WSe sequencial ₂ o crescimento na borda do grafeno padronizado é discutido. Com condições de crescimento otimizadas, interface de alta qualidade do WSe ₂ costurado lateralmente -grafeno é obtido e estudado com TEM. Fabricação de dispositivos e performances eletrônicas do WSe costurado lateralmente ₂ -grafeno são apresentados.

Método / Experimental

Síntese de WSe ₂ e grafeno

WSe de área grande ₂ filmes foram sintetizados em safira e SiO ₂ / Si substratos no forno. Antes do processo de crescimento, os substratos foram limpos com acetona, isopropanol e água por 10 min, respectivamente. O sal tetrapotássico do ácido perileno-3,4,9,10-tetracarboxílico (PTAS) foi uniformemente revestido na superfície do substrato como promotores de semeadura para aumentar a atividade e a taxa de crescimento das monocamadas. Precursores sólidos de alta pureza de WO ₃ (Alfa Aesar, 99,9995% CAS # 1313-27-5) e Se (Sigma-Aldrich, 99,5% CAS # 7704-34-9) foram colocados em dois cadinhos de cerâmica, e os substratos foram colocados voltados para cima e próximos ao WO ₃ em pó. O WSe ₂ as amostras foram sintetizadas durante 800 ~ 900 ° C por 10 min com uma taxa de aquecimento de 30 ° C min ⁻¹ e sob uma mistura de N ₂ / H ₂ fluxo a 1,2 Torr. O grafeno é sintetizado em folha de Cu a 1000 ° C por 10 min com uma taxa de aquecimento de 30 ° C min ⁻¹ e sob uma mistura de CH ₄ / H ₂ fluxo a 4 Torr. O padrão de grafeno é realizado por litografia de feixe eletrônico e corrosão por plasma de oxigênio.

Fabricação de dispositivos

O grafeno-WSe ₂ os dispositivos foram fabricados sem transferência de amostra. O processo de litografia por feixe E foi realizado para definir os eletrodos na camada de grafeno padronizada. Uma fina camada de metal de Pd (40 nm) foi depositada usando evaporação de feixe de elétrons e um seguinte processo de lift-off foi realizado em acetona. A camada de encapsulamento e o dielétrico de porta do dispositivo são fabricados usando deposição de camada atômica (ALD) de Al fino ₂ O ₃ filmes (50 nm). Um fino metal de Pd (40 nm) foi depositado na camada dielétrica para ser usado como eletrodos de porta. Para melhorar o desempenho eletrônico, os dispositivos são recozidos a ~ 120 ° C por ~ 12 h em um ambiente de vácuo de ~ 10 ⁻⁵ Torr.

Caracterizações

Espectros Raman e fotoluminescência (PL) foram obtidos por espectroscopia Raman confocal comercial (Micro Raman / PL / TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). O comprimento de onda e o tamanho do ponto do laser são 532 nm e 1–2 μm, respectivamente. Grades 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 Raman para obter informações detalhadas do material. As amostras de TEM foram preparadas usando a técnica de transferência de PMMA padrão para colocar o grafeno-WSe ₂ nanofolhas na grade de cobre com holey-carbon. As imagens TEM foram realizadas em uma tensão de aceleração de 80 kV (Cs corrigido STEM, JEOL, JEM-ARM200F). As medições elétricas foram medidas usando um Agilent B1500a Semiconductor Device Analyzer.

Resultados e discussão

Para controlar a síntese da heterojunção lateral do grafeno e WSe ₂ , o crescimento sequencial da monocamada TMD nas bordas do grafeno é demonstrado na Fig. 1a. O grafeno monocamada é primeiro cultivado em uma folha de cobre e posteriormente transferido para um substrato de safira fresco usando o método de transferência assistido por PMMA padrão. Litografia convencional de feixe eletrônico e O ₂ processos de gravação de plasma são conduzidos para definir a região para o crescimento sequencial da monocamada WSe ₂ . Síntese direta de monocamada WSe ₂ nas bordas do grafeno padronizado em substrato de safira é obtido por CVD de baixa pressão com PTAS como promotores de semeadura. Informações mais detalhadas sobre a síntese estão descritas na seção “Método / Experimental”. Na Fig. 1b, mapeamento Raman da banda G 'no grafeno-WSe costurado lateralmente ₂ exibe um contraste uniforme, o que confirma um dano reduzido do grafeno pré-padronizado após a síntese CVD sequencial do WSe ₂ crescimento. Na Fig. 1c, imagem AFM do crescimento padronizado do grafeno-WSe ₂ indica uma morfologia de superfície lisa da heterojunção em monocamada. A Figura 1d apresenta os espectros Raman do E _2g modo (WSe ₂ —Azul) e a banda G '(grafeno — verde) como os rótulos na Fig. 1c, que são consistentes com os estudos relatados [34]. Para ilustrar a uniformidade da heterojunção conforme crescido, mapeamento Raman do Grafeno-WSe padronizado ₂ é mostrado na Fig. 1 e e f, respectivamente. Um contraste uniforme da intensidade Raman nas imagens de mapeamento é claramente observado, sugerindo síntese controlável no crescimento heterogêneo de WSe monocamada de alta qualidade ₂ nas bordas do grafeno pré-padronizado.

Crescimento controlado do WSe ₂ no grafeno padronizado. a Esquema do WSe costurado lateralmente ₂ -síntese de grafeno. b Mapeamento Raman para a banda G 'do grafeno e c Imagem AFM do crescimento padronizado do WSe ₂ -grafeno. d Espectros Raman do E _2g modo (WSe ₂ —Azul) e a banda G '(grafeno — verde) em c . Mapeamento Raman de e o E _2g modo do WSe ₂ e f a banda G 'do grafeno na heterojunção da monocamada

Para esclarecer o comportamento de crescimento do grafeno-TMD costurado, o WSe ₂ a síntese no grafeno padronizado é realizada com e sem promotores. A Figura 2 aeb sugere o WSe ₂ crescimento a diferentes temperaturas sem PTAS como promotor de semeadura. Acima de 850 ° C, o crescimento sequencial do WSe ₂ aparece nas bordas do grafeno. Uma alta temperatura de crescimento para WSe ₂ o crescimento é necessário devido à redução de reagentes gasosos para o precursor sólido do WO ₃ , conforme elaborado em artigos anteriores [29,30,31]. Um limite macroscopicamente suave do WSe ₂ conforme crescido implica distribuição aleatória e tamanho pequeno dos grãos. Em contraste, o WSe sequencial ₂ o crescimento a diferentes temperaturas com PTAS como promotor de semeadura é apresentado na Fig. 2 c e d. Os promotores PTAS reduzem significativamente a temperatura de crescimento para um WSe sequencial perfeito ₂ crescimento nas bordas do grafeno com tamanhos de domínio maiores, que é semelhante ao comportamento de crescimento nas heterojunções TMD-TMD [22]. Após o WSe sequencial ₂ crescimento a 800 ° C, observação de um contraste uniforme e maior intensidade no mapeamento Raman da banda G '(grafeno) indica um dano reduzido do grafeno por causa do crescimento de baixa temperatura. Com o aumento da temperatura, um WSe ₂ contínuo o filme preenche as regiões padronizadas com contato ideal com as bordas do grafeno padronizado (Fig. 2d). Observe que um tamanho de domínio maior com uma forma triangular clara do WSe monocamada ₂ costurado às bordas do grafeno (Fig. 2c), sugerindo uma melhor qualidade do WSe sequencial ₂ crescimento. Com condições de crescimento otimizadas em promotores de semeadura e temperatura, WSe monocamada escalável e de alta qualidade ₂ é realizado pelo sistema LPCVD conforme apresentado nas informações de suporte (Arquivo adicional 1:Figura S1). É digno de nota que a síntese sequencial de TMD nas bordas do grafeno padronizado é universalmente observada em outras heterojunções de diferentes TMD e grafeno, conforme mostrado nas informações de suporte (Arquivo adicional 1:Figura S2).

WSe dependente da temperatura ₂ crescimento com promotor de semeadura:imagens ópticas, imagens de mapeamento Raman do A _1g modo (WSe ₂ ) e a banda G '(grafeno) das amostras que são sintetizadas em diferentes temperaturas a , b sem e c , d com PTAS como promotor de semeadura

Para investigar mais a heterojunção do WSe ₂ -grafeno, medição de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM) é realizada. Na Fig. 3a, a imagem TEM da área selecionada indica que a região de sobreposição entre as linhas tracejadas pretas (extremidade do grafeno) e verdes (extremidade do TMD) é composta do grafeno pré-padronizado e do WSe crescido sequencial ₂ monocamada. A largura da região de sobreposição é de cerca de 500 nm. Uma imagem TEM de tipo amorfo para a rede de grafeno é observada como esperado por causa das distorções inevitáveis do grafeno com o feixe de elétrons energético. As Figuras 3 c e d apresentam a observação calculada e experimental na imagem HRTEM para melhor compreensão do crescimento sequencial da DTM na heterojunção. Observação de redes hexagonais e células unitárias de grafeno (~ 2,5 Å) e WSe ₂ (~ 3,3 Å) é consistente com os parâmetros em redes em massa de grafeno (2,46 Å) e WSe ₂ (3,28 Å). As caracterizações TEM indicam que o WSe sequencial ₂ o crescimento inicia nas bordas do grafeno pré-padronizado porque a densidade de defeito mais alta na borda do grafeno aumenta o crescimento vertical da ilha com mais locais de nucleação. Uma grande incompatibilidade de rede de mais de 20% entre a rede de grafeno e TMD pode ser responsável por uma interface de desordem com maior densidade de defeito e pelo crescimento combinado vertical e lateral de TMD na heterojunção. Além disso, as inserções na Fig. 3d mostram os difratogramas correspondentes por transformada rápida de Fourier (FFT) de imagens atômicas do espaço real na região de sobreposição e região de grafeno. Apenas um conjunto de padrões de difração é observado na região do grafeno (esquerda), enquanto dois conjuntos de padrões de difração girados com um ângulo de torção de 0,35 ° são observados na região sobreposta (direita). Um ângulo de torção altamente reduzido entre grafeno e WSe ₂ reticulados implica que o crescimento sequencial do WSe ₂ favorece o empilhamento coerente nas bordas do grafeno.

Caracterização TEM da heterojunção do Grafeno-WSe costurado lateralmente ₂ . a Imagem de baixa ampliação, b ilustrações esquemáticas, c simulado e d imagens HRTEM observadas da heterojunção do Grafeno-WSe ₂ . A inserção direita mostra a imagem FFT da região de sobreposição do WSe ₂ empilhado no grafeno, enquanto a inserção esquerda exibe a do grafeno. Mapeamento Raman de e o E _2g modo do WSe ₂ e f a banda G 'do grafeno na heterojunção da monocamada

Para demonstrar as propriedades de efeito de campo do WSe conforme crescido ₂ costurado nas bordas do heterodispositivo de grafeno padronizado, o dispositivo é fabricado sem transferência de amostra. É desenvolvido um processo de fabricação personalizado baseado na funcionalidade de superfície para litografia de feixe eletrônico em um isolador. Desempenho de transporte eletrônico do grafeno-WSe costurado ₂ dispositivo é estudado conectando eletrodos de metal (Pd 40 nm) com o grafeno padronizado e depositando Al ₂ O ₃ (50 nm) como dielétrico de porta. As Figuras 4 a e b mostram a ilustração esquemática do dispositivo de heterojunção com tampa superior e a imagem óptica do dispositivo como fabricado, respectivamente. As medições de transporte eletrônico de dois terminais são realizadas usando uma estação de sonda comercial (Lake Shore Cryotronics PS-100 com Agilent B1500a) sob vácuo e temperatura ambiente. A curva de transferência do dispositivo exibe um comportamento de transporte do tipo p com uma relação liga / desliga (~ 10 ⁴ ) e alta corrente de aproximadamente alguns 100 nA (Fig. 4c). A mobilidade de efeito de campo do dispositivo na região linear é de cerca de 0,07 cm ² / Vs em V _d =2 V, que é avaliado usando a seguinte equação:
$$ \ mu =\ frac {1} {C _ {\ mathrm {boi}}} \ frac {L} {W} \ frac {\ parcial {I} _ {\ mathrm {D}}} {\ parcial {V } _ {\ mathrm {G}}} \ frac {1} {V _ {\ mathrm {D}}} $$ (1)
onde C _boi = ε ₀ ε _r / d é a capacitância do óxido e L (9 μm) e W (24 μm) são o comprimento do canal e a largura do canal, respectivamente. Além disso, as curvas de saída do dispositivo em várias tensões de porta são mostradas na Fig. 4d. O linear eu - V curvas confirmam um bom contato entre a camada de grafeno e WSe ₂ camada. Um desempenho eletrônico aprimorado das heterojunções de monocamada de grafeno-TMD costuradas é alcançado por causa das propriedades de contato aprimoradas, sugerindo que a síntese para o crescimento sequencial de TMD nas bordas do grafeno padronizado artificialmente dá um passo significativo em direção à nanoeletrônica 2D.

Desempenho eletrônico do WSe ₂ com contatos de grafeno costurados. a O esquema, b a imagem ótica, c a curva de transferência e d curvas de saída do dispositivo de heterojunção de monocamada superior do Grafeno-WSe costurado ₂

Conclusões

WSe sequencial ₂ o crescimento nas bordas do grafeno padronizado é obtido na safira usando LPCVD assistido por promotor. Os promotores PTAS reduzem significativamente a temperatura de crescimento para WSe sequencial ideal ₂ crescimento nas bordas do grafeno com tamanhos de domínio maiores.

As caracterizações de TEM indicam que o WSe sequencial ₂ o crescimento começa nas bordas do grafeno pré-padronizado. Um ângulo de torção altamente reduzido entre o grafeno e WSe ₂ reticulados implica que o WSe sequencial ₂ o crescimento favorece o empilhamento coerente nas bordas do grafeno. Um desempenho eletrônico aprimorado das heterojunções de monocamada de grafeno-TMD costuradas é alcançado devido às propriedades de contato aprimoradas.