Untersuchung des Energiebandes an den Molybdändisulfid- und ZrO2-Heterojunctions

Einführung

In den letzten Jahrzehnten wurde SiO₂ /Si-basierte Materialien spielten die dominierende Rolle bei der Herstellung elektronischer Geräte, wie beispielsweise integrierte Logikschaltungen, nichtflüchtige Speicher und so weiter. Da die Größe der Bauelemente jedoch unaufhörlich von Mikrometern auf unter 10 nm verkleinert wurde, war es mit herkömmlichen Halbleitern schwierig, die Anforderungen an eine verbesserte spezifische Kapazität, einen geringen Gate-Leckstrom und eine hohe Trägermobilität zu erfüllen. Daher wird die Erforschung neuer Halbleiter als Gerätekanäle und der High-κ-Oxide als Isolatoren schwierig. Seit der Entdeckung von Graphen bietet die erfolgreiche Herstellung von zweidimensionalen (2D) Materialien, insbesondere von Halbleitern mit geeigneter Bandlücke, einen vielversprechenden Weg, diesen Nachteil zu überwinden.

Unter den 2D-Materialien ist Molybdändisulfid (MoS₂ ) mit einstellbaren Eigenschaften, die sowohl auf der Schichtzahl als auch auf der Wahl des Substratmaterials basieren, hat nicht nur aufgrund seiner guten chemischen Stabilität und mechanischen Flexibilität, sondern auch aufgrund seiner hervorragenden optischen und elektrischen Eigenschaften zunehmende Aufmerksamkeit auf sich gezogen [1, 2]. Die Energiebandlücke der Monoschicht MoS₂ beträgt etwa 1,80 eV, während 1,20 eV für die Masse beträgt. Die vielversprechende Leistung der elektronischen und optoelektronischen Bauelemente aus MoS₂ Schichten, wie Feldeffekttransistoren [3,4,5], Sensoren [6] und Photodetektoren [7], erweist es sich als potentieller Ersatz für Si in der konventionellen Elektronik und für organische Halbleiter in tragbaren und flexiblen Systemen [8, 9,10,11]. Obwohl einlagiges MoS₂ -basierte Feldeffekttransistoren (FETs) haben hervorragende Leistungen mit einem hohen Strom-Ein/Aus-Verhältnis von etwa 10 ⁸ . gezeigt und einem niedrigen unterschwelligen Swing ~ 77 mV/Dekade [3], wurden seine umfangreichen Anwendungen durch die Synthese von großflächigem, hochqualitativem einschichtigem MoS₂ . behindert und die Stabilität der Geräte [12,13,14]. Mehrschichtiges MoS₂ könnte aufgrund der hohen Zustandsdichte attraktiver sein, was zu einem hohen Antriebsstrom im ballistischen Limit beiträgt [15]. Darüber hinaus ist die Trägermobilität von mehrschichtigem MoS₂ können durch High-κ-Oxide aufgrund der dielektrischen Abschirmeffekte noch deutlich verbessert werden [16, 17]. Daher ist es wichtig und wichtig, das mehrschichtige MoS₂ . zu untersuchen /hohe-κ-Oxide-Heteroübergänge.

In elektronischen Bauelementen mit Heteroübergang werden die Elektronentransporteigenschaften durch die Energiebandprofile an der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter- und Isolatoroxid hinsichtlich des Valenzband-Offsets (VBO) und des Leitungsband-Offsets (CBO) präzise gesteuert. VBO und CBO sollten so groß wie möglich sein, um als Barriere zu wirken, um den durch die Injektion von Löchern und Elektronen gebildeten Leckstrom zu reduzieren, insbesondere spielt CBO eine zentrale Rolle bei der Auswahl geeigneter High-k-Oxide für ein Gate Klemme und sollte mindestens größer als 1 eV sein, um Kriechströme zu vermeiden [18,19,20]. Unterdessen haben die Grenzflächenladungen an Halbleitern/Oxiden einen wichtigen Einfluss auf das Band-Engineering und müssen durch Passivierungstechnologien wie SiH₄ . optimiert werden Passivierung und _3 CHF Behandlung. In diesem Artikel haben wir die Bandausrichtung von mehrschichtigem MoS₂ . untersucht / ZrO₂ Systeme, da die Art der Schnittstelle einen direkten Einfluss auf die Eigenschaften der Geräte und die Wirkung von CHF₃ . hat Plasmabehandlung am Bandversatz bei MoS₂ /ZrO₂ Schnittstelle wurde untersucht.

Methoden und Experimente

In den Experimenten wurde das mehrschichtige MoS₂ Filme wurden auf SiO₂ . gezüchtet /Si-Substrate durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD)-Systeme mit MoO₃ und Schwefelpulver als Mo-Quellen bzw. S-Vorläufer. Während des Wachstumsprozesses wurde Ar-Gas als Trägergas verwendet und die Wachstumstemperatur betrug 800°C für 5 Minuten. Dann die MoS₂ /ZrO₂ Proben wurden hergestellt, indem das großflächige mehrschichtige MoS₂ Film auf das ZrO₂ /Si-Substrate nach dem Polymethylmethacrylat (PMMA)-Verfahren. Das ZrO₂ Oxid (15 nm) wurde auf Si bei 200 °C unter Verwendung eines Atomlagenabscheidungssystems (BENEQ TFS-200) mit Tetrakis Dimethyl Amido Zirconium (TDMAZr)-Vorstufe als Zirconiumquelle und Wasser (H₂ .) abgeschieden O) als Sauerstoffquelle. Um die Auswirkungen von CHF₃ . zu untersuchen Behandlung der Bandausrichtung bei MoS₂ /ZrO₂ Schnittstellen, für eine Probe das ZrO₂ /Si-Substrat wurde mit CHF₃ . behandelt Plasma mit einer HF-Leistung von etwa 20 W und einer Flussrate von etwa 26 sccm. In der Zwischenzeit beträgt die Plasmabehandlungszeit etwa 60 s und der Druck wurde während des Prozesses bei 1 Pa gehalten. Folglich beträgt die resultierende F-Dosis etwa 2,0 × 10 ¹⁴ . Atome/cm ² geschätzt durch Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS)-Messungen. Während des Optimierungsprozesses der Plasmabehandlungszeit beträgt der CHF₃ Plasma verschlechterte die Materialqualität ernsthaft durch die Einführung von Fluor, das in ZrO₂ . eindiffundiert wurde vor allem, wenn die Zeit auf 70 s eingestellt wurde. Während die Plasmabehandlungszeit 50 s, also kleiner als 60 s, betrug, zeigten die SIMS-Ergebnisse keinen offensichtlichen F-Peak an der Oxidoberfläche. Für das andere Beispiel keine _3 CHF Plasmabehandlung durchgeführt wurde. Die Raman-Eigenschaften der Proben wurden in einem RENISHAW-System bei Raumtemperatur aufgenommen. Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wurde unter Verwendung eines VG ESCALAB 220i-XL-Systems gemessen. Die Photonenenergie der monochromatisierten Al Kα-Röntgenquelle beträgt etwa 1486,6 eV. Bei den Messungen wurde die Durchgangsenergie auf 20 eV eingestellt, um die XPS-Spektren zu erhalten. Darüber hinaus wurde der C 1 s-Peak (284,8 eV) verwendet, um die Bindungsenergie auf Kernebene zu korrigieren, um den differentiellen Ladungseffekt der Probenoberfläche zu eliminieren.

Ergebnisse und Diskussionen

Die Raman-Spektren des gewachsenen und nachträglich übertragenen mehrschichtigen MoS₂ wurden bei Raumtemperatur charakterisiert, wie in Abb. 1 gezeigt. Zwei prominente Raman-Modi, die als A . bezeichnet sind _1g und \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) wurden im Spektrum beobachtet. Insbesondere ergibt sich die \( {E}_{2g}^1 \)-Mode aus der entgegengesetzten Bewegung von S-Atomen in der Ebene in Bezug auf das zentrale Mo-Atom im unteren Frequenzbereich, während A _1g ist relativ zu den Schwingungen außerhalb der Ebene von S-Atomen im höheren Frequenzbereich [21]. Es wurde beobachtet, dass die \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) und A _1g Modi von MoS₂ unterliegen einer Rotverschiebung bzw. Blauverschiebung von Monolayer- zu Bulk-Proben, was auf die unterschiedliche Van-der-Waals-Rückstellkraft zwischen den Schichten und den Einfluss von stapelungsinduzierten Strukturänderungen zurückzuführen ist [21]. Daher ist die Frequenzdifferenz (Δk) zwischen A _1g und \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) wird häufig verwendet, um die Schichtanzahl oder -dicke von MoS₂ . zu bewerten Film. Hierin ist Δk des gewachsenen MoS₂ Film ist ungefähr 25,32 cm ⁻¹ , was darauf hinweist, dass der Film mehr als sechs Schichten umfasst. Darüber hinaus zeigte das im Einschub von Fig. 1 gezeigte Ergebnis der Querschnitts-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) die Schichtanzahl des gewachsenen MoS₂ . betrug etwa 8, entsprechend der Dicke von etwa 4,5 nm. Darüber hinaus die Position des Raman-Peaks und die Halbwertsbreite (FWHM) von MoS₂ ist vor und nach dem Transfer fast gleich, was darauf hindeutet, dass der Transferprozess einen geringen Einfluss auf die Qualität des Materials hat.

Die Raman-Spektroskopie des ultradünnen MoS₂ Film vor und nach der Übertragung. Der Einschub ist die Querschnitts-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) des MoS₂ auf ZrO₂ /Si-Substrat, das die Schichten von MoS₂ . zeigt

XPS hat sich als effiziente Methode zur Bestimmung des Band-Offsets an der Heterojunction-Grenzfläche erwiesen [22, 23]. In MoS₂ /ZrO₂ Heteroübergang wurde der VBO-Wert aus der Änderung der Valenzbandspektren des ZrO₂ . erhalten zwischen denen des blanken Oxids und mit MoS₂ Material [24]. Abbildung 2a, b zeigten das Kernniveau und die Valenzbandspektren von reinem ZrO₂ und Multilayer-MoS₂ /ZrO₂ , bzw. Der Schnittpunkt zwischen der Basislinie und der Steigung der Vorderkante ergibt das Valenzbandmaximum (VBM) der Probe, wobei das Fermi-Niveau als Referenzniveau verwendet wird. Die Ergebnisse zeigten, dass die VBM von ZrO₂ und Multilayer-MoS₂ /ZrO₂ Systeme sind etwa 1,88 eV bzw. 0,06 eV. Darüber hinaus ist das Zr-3d-Kernspektrum von nacktem ZrO₂ weist gut getrennte Dublett-Peaks auf, die als Zr 3d_5/2 . bezeichnet werden und 3d_3/2 mit Energiewerten von 182,05 eV bzw. 184,45 eV, während die entsprechenden Werte für das MoS₂ /ZrO₂ Stichprobe sind 182,10 eV bzw. 184,50 eV. Die Änderung der Kernebene von Zr 3d_5/2 oder 3d_3/2 ~ 0,05 eV liegt im Bereich des Mess- und Datenverarbeitungsfehlers. Im Vergleich zu blankem ZrO₂ Probe, mehrschichtiges MoS₂ übten nur geringe Auswirkungen auf das Zr-3d-Spektrum aus, wie in Abb. 2b gezeigt. Dann wird die Energiedifferenz zwischen dem Zr 3d_5/2 und VBM beträgt 180,17 eV und 182,04 eV für das bloße ZrO₂ Probe und MoS₂ /ZrO₂ Probe bzw. Folglich ist der VBO-Wert für das Multilayer-MoS₂ /ZrO₂ Grenzfläche beträgt etwa 1,87 ± 0,05 eV, hauptsächlich aufgrund der VBM-Differenz zwischen dem bloßen ZrO₂ und MoS₂ /ZrO₂ . Ähnlich für das Multilayer-MoS₂ /ZrO₂ Probe mit CHF₃ Plasmabehandlung vor MoS₂ Übertragung beträgt die VBM etwa 0,02 eV, wie in Abb. 2c gezeigt, fast identisch mit der Probe ohne CHF₃ Behandlung. Das Zr-3d-Spektrum bewegt sich jedoch um etwa 0,75 eV in Richtung höherer Energie, Zr 3d_5/2 ~ 182,85 eV und 3d_3/2 ~185,25 eV, was darauf hinweist, dass der VBO-Wert nach dem Plasmaätzen um etwa 0,75 ± 0,04 eV erhöht war. Dann ist der CBO-Wert ∆E _C kann nach der Formel erhalten werden

wo E _{G , ZrO 2} und E _{G , MoS 2} sind die Bandlücke von ZrO₂ und MoS₂ , bzw. und ∆E _V entspricht dem VBO-Wert. Normalerweise kann die Bandlückenenergie des Oxidisolators aus dem O 1 s-Verlustenergiespektrum erhalten werden [25]. Abbildung 3a zeigt das O 1 s-Verlustenergiespektrum von ZrO₂ , und das E _{G , ZrO 2} beträgt etwa 5,56 eV, berechnet aus der Energiedifferenz durch Extrapolation der linearen Kantenbasislinie (535,95 eV), die an die Kernniveauenergie von Zr-O-Bindungen (530,39 eV) angepasst ist. Die Bandlücke von MoS₂ in dieser Arbeit beträgt etwa 1,2 eV. Daher der CBO-Wert für die Stichprobe ohne _3 CHF Behandlung beträgt etwa 2,49 eV und 1,74 eV für die Probe mit _3 CHF Behandlung. Dann die schematischen Strukturen des Bandengineerings für die Samples ohne und mit CHF₃ Plasmabehandlung sind in Abb. 3b dargestellt. Offensichtlich ist das Multilayer-MoS₂ /ZrO₂ Das System hat eine Typ-I-Ausrichtung, die Elektronen und Löcher im MoS₂ . einschließt . Inzwischen ist das große ∆E _C und ∆E _V für MoS₂ /ZrO₂ Schnittstelle impliziert, dass ZrO₂ könnte ein gutes Gate-Dielektrikum für n- oder p-Kanal-Mehrschicht-MoS₂ . sein -basierte FETs-Anwendung im Hinblick auf die Unterdrückung von Gate-Leckströmen. Außerdem hat die Probe mit Plasmabehandlung einen höheren VBO ∆E _V (unterer CBO ∆E _C ) im Vergleich zur Probe ohne Plasmabehandlung, die bei der Anwendung von p-Kanal-FETs besser ist.

Die Zr-3d- und Valenzbandspektren auf Kernebene für a blankes ZrO₂ Oxid, b Mehrschicht-MoS₂ /ZrO₂ Probe und c CHF₃ plasmabehandeltes Multilayer-MoS₂ /ZrO₂ Probe

a O 1 s-Photoelektronen-Energieverlustspektren für das ZrO₂ Oxid. b Die schematische Struktur der Energiebandausrichtung am MoS₂ /ZrO₂ Schnittstelle ohne (oben) und mit (unten) CHF₃ Plasmabehandlung. c Die SIMS-Tiefenprofile (Si, Zr und F) für die Probe mit CHF₃ Plasmabehandlung

Die Änderung der Bandausrichtung am mehrschichtigen MoS₂ /ZrO₂ Es wird angenommen, dass die Grenzfläche eng mit der F-reichen Grenzschicht verbunden ist, die durch das CHF₃ . induziert wird Plasmabehandlung. Abbildung 3c zeigt das SIMS-Ergebnis der plasmabehandelten Probe für Zr-, F- und Si-Elemente mit einem offensichtlichen F-Ionen-Peak an der Grenzfläche. In der Zwischenzeit wurden einige F-Ionen in das darunterliegende ZrO₂ . diffundiert Schicht aufgrund seiner geringen Größe. Beim MoS₂ /ZrO₂ Schnittstelle mit CHF₃ Plasmabehandlung wird die Vergrößerung des VBO (Reduktion des CBO) hauptsächlich auf die in Abb. 2c gezeigte Aufwärtsverschiebung der Zr-3d-Kernniveaus zurückgeführt, was darauf hindeutet, dass F-Ionen eine starke Wechselwirkung mit Zr-Atomen haben. Dann die Auswirkungen von _{3 CHF} Behandlung der elektronischen Eigenschaften des ZrO₂ Oxide wurden mit Material Studio in Kombination mit dem Cambridge Sequential Total Energy Package (CASTEP) auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) untersucht [26]. Die von Perdew-Burk-Ernzerhof (PBE) [27] vorgeschlagene generalisierte Gradientennäherung für das Austausch- und Korrelationspotential wurde verwendet, um die Ion-Elektron-Wechselwirkungen zusammen mit dem Projektor-Augmented-Wave-Potential (PAW) [28] zu behandeln. Die Grenzenergie der ebenen Welle wird zu 750 eV gewählt, und ein Monkhorst-Pack-k-Mesh von 1 × 1 × 1 wird verwendet, um die Brillouin-Zone in der Strukturoptimierung und Gesamtenergieberechnung abzutasten [29]. Alle Atome wurden in ihre Gleichgewichtspositionen entspannt, bis die Gesamtenergieänderungen während der Optimierung schließlich auf weniger als 10 ⁻⁶ . konvergierten eV/ Atom wurde die Kraft und Spannung an jedem Atom auf 0,003 eV/nm bzw. 0,05 GPa konvergiert, und die Verschiebung wurde auf 1 × 10 ⁻⁴ . konvergiert nm. Abbildung 4a, b zeigen die totale und partielle Zustandsdichte (DOS) für beide MoS₂ /ZrO₂ Proben, wobei null eV dem Fermi-Niveau entspricht. Offensichtlich haben F-Ionen eine starke Wechselwirkung mit Zr-Atomen, wodurch ein Teil des d-Orbitals von Zr-Atomen, das auf das Valenzband projiziert wird, sich um 0,76 eV von − 0,06 auf − 0,82 eV unter das Fermi-Niveau nach unten bewegt, was mit übereinstimmt die Vergrößerung des Volantband-Offsets ∆E _V ~ 0,75 eV. F-Atome neigen aufgrund der großen Elektronegativität (4.0) dazu, Elektronen anzuziehen, werden teilweise negativ geladen und bilden dann weitere Dipole mit Zr-Atomen, die schließlich zur Änderung des Bandversatzes beitragen. Daher ist die Bandänderung am MoS₂ /ZrO₂ Schnittstelle eingeführt durch die CHF₃ Die Plasmabehandlung bietet eine vielversprechende Möglichkeit, die Bandausrichtung an den Heteroübergängen anzupassen, was das Design der entsprechenden Geräte erleichtert.

Die berechnete Gesamtzustandsdichte (TDOS) und Teilzustandsdichte (PDOS) für die Proben ohne CHF₃ Behandlung (a ) und mit _{3 CHF} Behandlung (b )

Schlussfolgerungen

In diesem Artikel haben wir das Energieband-Engineering am mehrschichtigen MoS₂ . untersucht /ZrO₂ Schnittstelle und untersuchte die Auswirkungen von CHF₃ Behandlung mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie. Die Ergebnisse zeigten, dass am MoS₂ . eine Typ-I-Ausrichtung gebildet wurde /ZrO₂ Heteroübergangsschnittstelle mit CBO und VBO etwa 2,49 eV bzw. 1,87 eV. Während die CHF₃ Plasmabehandlung erhöht die VBO um etwa 0,75 ± 0,04 eV hauptsächlich aufgrund der Aufwärtsverschiebung der Zr-3d-Kernenergie, was mit den Berechnungsergebnissen übereinstimmt. Diese Arbeit beweist die großen potentiellen Anwendungen von hoch-κ ZrO₂ Oxid in mehrlagigem MoS₂ -basierte Geräte und bietet eine Möglichkeit, die Ausrichtung des Grenzflächenenergiebands zu ändern.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

CASTEP:

Cambridge Sequentielles Gesamtenergiepaket

CBO:

Leitungsband-Offset

Lebenslauf:

Chemische Gasphasenabscheidung

DFT:

Dichtefunktionaltheorie

DOS:

Dichte der Zustände

FETs:

Feldeffekttransistoren

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

MoS₂ :

Molybdändisulfid

PAW:

Projektor-verstärkte Welle

PBE:

Perdew-Burk-Ernzerhof

PMMA:

Polymethylmethacrylat

SIMS:

Sekundärionen-Massenspektrometrie

TDMAZr:

Tetrakis Dimethyl Amido Zirkonium

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TMDs:

Übergangsmetalldichalkogenide

VBO:

Valenzband-Offset

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

ZrO₂ :

Zirkoniumdioxid