Selektives Wachstum von WSe2 mit Graphen-Kontakten

Einführung

Einschichtige Van-der-Waals-Materialien wie Graphen und Übergangsmetall-Dichalkogenid (TMD) zeigen hervorragende elektronische Leistungen und einen atomar dicken Körper ohne baumelnde Bindungen auf der Oberfläche, was potenzielle Lösungen für grundlegende Grenzen von Kanalmaterialien im Mooreschen Gesetz bietet, wie zum Beispiel kurze Kanäle Effekte und verschiedene Herausforderungen bei der Skalierung [1, 2]. In den letzten zehn Jahren wurden die Nanoelektronik von zweidimensionalen (2D) Materialien und verwandte Anwendungen durch kritische Kontaktprobleme mit den halbleitenden TMD-Monoschichten aufgrund des signifikanten Fermi-Niveaus-Pinning-Effekts aufgrund der Defekte, die bei den Synthese-, Herstellungs- und Integrationsprozessen beteiligt sind, stark behindert [ 3,4,5,6]. Erhebliche Anstrengungen, einschließlich Phasen-Engineering der Kanalmaterialien (von der halbleitenden 1H-Phase zur leitfähigen 1T-Phase) [7], Geometrie der Kontakte [8,9,10,11] und Interface-Engineering mit Graphen-Pufferschicht [12, 13], werden für wesentliche elektronische Leistungen mit verbesserten Kontakteigenschaften ausgeführt.

Kürzlich wurde die Integration von leitfähigem Graphen und halbleitendem TMD für verbesserte Kontakte und neue Eigenschaften durch direktes Wachstum von TMD mittels chemischer Gasphasenabscheidung am Rand von künstlich strukturiertem Graphen realisiert [14,15,16,17,18,19,20,21] . Heteroübergänge zwischen verschiedenen 2D-Materialien ermöglichen eine wesentliche Multifunktionalität der Monoschichtkanäle für eine breitere Kapazität und Integration [22,23,24,25,26,27]. An der Heterojunction des seitlich genähten MoS₂ . wird eine schwache Tunnelbarriere erreicht -Graphen, das Inverter- und Negativ-AND-(NAND)-Gatter für einen vollständigen Satz von Logikschaltungen auf Basis von 2D-Materialien ermöglicht [16, 17]. Das nächste wesentliche Ziel besteht darin, grundlegende elektronische Einheiten von komplementären Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Invertern und anderen Logikschaltungen mit skalierbaren 2D-Materialien zu realisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, bleibt die selektive und kontrollierbare Herstellung von p-Typ- oder ambipolaren Transistoren mit niedriger Schottky-Barriere jedoch eine lang anhaltende Herausforderung [28]. Die meisten p-Transistoren werden mit Wolframseleniden (WSe₂ ) aber für die WSe₂ . ist eine hohe Temperatur erforderlich Wachstum aufgrund einer höheren Verdampfungstemperatur des WO₃ Vorläufer [29,30,31]. Eine Niedertemperatursynthese des sequentiellen Monolagenwachstums an den vorstrukturierten 2D-Materialien wird hauptsächlich mit Mo-basierten TMD erreicht.

Hier verwenden wir einen Impfpromotor und einen Niederdruck-CVD-Prozess, um sequentielles WSe₂ . zu verbessern Wachstum mit reduzierter Wachstumstemperatur für reduzierte Zusammensetzungsschwankungen und hohe Hetero-Interface-Qualität [32, 33]. Wachstumsverhalten der sequentiellen WSe₂ Wachstum am Rand von strukturiertem Graphen wird diskutiert. Mit optimierten Wachstumsbedingungen, hochwertiges Interface der seitlich genähten WSe₂ -Graphen wird erreicht und mit TEM untersucht. Geräteherstellung und elektronische Leistungen des seitlich genähten WSe₂ -Graphen werden präsentiert.

Methode/Experimental

Synthese von WSe₂ und Graphen

Großflächiger WSe₂ Filme wurden auf Saphir und SiO₂ . synthetisiert /Si-Substrate im Ofen. Vor dem Wachstumsprozess wurden die Substrate mit Aceton, Isopropanol bzw. Wasser für 10 min gereinigt. Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäuretetrakaliumsalz (PTAS) wurde gleichförmig auf die Substratoberfläche als Impfpromotoren aufgetragen, um die Aktivität und Wachstumsgeschwindigkeit der Monoschichten zu erhöhen. Hochreine feste Vorläufer von WO₃ (Alfa Aesar, 99,9995% CAS#1313-27-5) und Se (Sigma-Aldrich, 99,5% CAS#7704-34-9) wurden in zwei Keramiktiegel gegeben, und die Substrate wurden mit der Vorderseite nach oben und neben dem WO . platziert ₃ Pulver. Die WSe₂ Proben wurden bei 800~900 °C für 10 min mit einer Heizrate von 30°C min ⁻¹ . synthetisiert und unter einer Mischung aus N₂ /H₂ Durchfluss bei 1,2 Torr. Graphen wird auf einer Cu-Folie bei 1000 °C für 10 min mit einer Aufheizrate von 30°C min ⁻¹ . synthetisiert und unter einer Mischung aus CH₄ /H₂ Durchfluss bei 4 Torr. Das Mustergraphen wird durch Elektronenstrahllithographie und Sauerstoffplasmaätzen hergestellt.

Geräteherstellung

Das Graphen-WSe₂ Geräte wurden ohne Probentransfer hergestellt. Ein Elektronenstrahl-Lithographieprozess wurde durchgeführt, um die Elektroden auf der strukturierten Graphenschicht zu definieren. Eine dünne Metallschicht aus Pd (40  nm) wurde mittels Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden und ein anschließender Lift-Off-Prozess wurde in Aceton durchgeführt. Die Einkapselungsschicht und das Gate-Dielektrikum des Bauelements werden unter Verwendung von Atomlagenabscheidung (ALD) von dünnem Al₂ . hergestellt O₃ Filme (50 nm). Auf der dielektrischen Schicht wurde ein dünnes Pd-Metall (40 nm) abgeschieden, um es als Gate-Elektroden zu verwenden. Um die elektronische Leistung zu verbessern, werden die Bauelemente bei ~ 120 °C für ~ 12 h in einer Vakuumumgebung von ~ 10 ⁻⁵ . getempert Torr.

Charakterisierungen

Raman-Spektren und Photolumineszenz (PL) wurden durch kommerzielle konfokale Raman-Spektroskopie (Micro Raman/PL/TR-PL-Spektrometer, Ramaker, Protrustech) erhalten. Wellenlänge und Spotgröße des Lasers betragen 532 nm bzw. 1–2 μm. Typische Gitter wurden mit 300 g/mm für PL (niedrige Auflösung) verwendet, um ein Breitbandspektrum zu erhalten, und (hohe Auflösung) 1800 g/mm für Raman-Signale, um detaillierte Materialinformationen zu erhalten. Die TEM-Proben wurden unter Verwendung einer standardmäßigen PMMA-Transfertechnik hergestellt, um das Graphen-WSe₂ . zu platzieren Nanoblätter auf das löchrige Kohlenstoff-Cu-Gitter. Die TEM-Bilder wurden bei einer Beschleunigungsspannung von 80 kV (Cs-korrigierter STEM, JEOL, JEM-ARM200F) durchgeführt. Die elektrischen Messungen wurden mit einem Agilent B1500a Semiconductor Device Analyzer gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

Um die Synthese der lateralen Heterojunction von Graphen und WSe₂ . zu steuern , sequentielles Wachstum der Monoschicht-TMD an den Graphenkanten ist in Abb. 1a gezeigt. Monolayer-Graphen wird zunächst auf einer Kupferfolie aufgewachsen und später unter Verwendung eines standardmäßigen PMMA-unterstützten Transferverfahrens auf ein frisches Saphirsubstrat übertragen. Konventionelle Elektronenstrahllithographie und O₂ Plasmaätzprozesse werden durchgeführt, um den Bereich für das sequentielle Wachstum der Monoschicht WSe₂ . zu definieren . Direkte Synthese von Monolayer WSe₂ an den Kanten von gemustertem Graphen auf Saphirsubstrat wird durch Niederdruck-CVD mit PTAS als Impfpromotoren erreicht. Nähere Informationen zur Synthese sind im Abschnitt „Methode/Experiment“ beschrieben. In Abb. 1b, Raman-Mapping des G’-Bandes im seitlich genähten Graphen-WSe₂ zeigt einen einheitlichen Kontrast, der eine reduzierte Schädigung des vorstrukturierten Graphens nach der sequentiellen CVD-Synthese des WSe₂ . bestätigt Wachstum. In Abb. 1c, AFM-Bild des gemusterten Wachstums von Graphen-WSe₂ zeigt eine glatte Oberflächenmorphologie des Monoschicht-Heteroübergangs an. Abbildung 1d zeigt die Raman-Spektren von E_2g Modus (WSe₂ —blau) und die G’-Bande (Graphen —grün) als Markierungen in Abb. 1c, die mit den berichteten Studien übereinstimmen [34]. Zur Veranschaulichung der Gleichförmigkeit der Heterojunction im gewachsenen Zustand, Raman-Mapping des strukturierten Graphens-WSe₂ ist in Abb. 1e bzw. f gezeigt. Ein einheitlicher Kontrast der Raman-Intensität in den Kartierungsbildern ist deutlich zu beobachten, was auf eine kontrollierbare Synthese beim heterogenen Wachstum von hochwertiger Monoschicht WSe₂ . hindeutet an den Kanten des vorstrukturierten Graphens.

Kontrolliertes Wachstum des WSe₂ bei gemustertem Graphen. a Schema der seitlich genähten WSe₂ -Graphen-Synthese. b Raman-Mapping für das G’-Band des Graphens und c AFM-Bild des gemusterten Wachstums des WSe₂ -Graphen. d Raman-Spektren des E_2g Modus (WSe₂ —blau) und das G’-Band (Graphen —grün) in c . Raman-Kartierung von e die E_2g Modus des WSe₂ und f das G’-Band des Graphens im Monolayer-Heteroübergang

Um das Wachstumsverhalten der genähten Graphen-TMD zu klären, wurde das WSe₂ Die Synthese am strukturierten Graphen erfolgt mit und ohne Promotoren. Abbildung 2 a und b deuten auf die WSe₂ hin Wachstum bei verschiedenen Temperaturen ohne PTAS als Saatpromotor. Oberhalb von 850°C ist das sequentielle Wachstum des WSe₂ erscheint an den Graphenkanten. Eine hohe Wachstumstemperatur für WSe₂ Wachstum ist aufgrund reduzierter gasförmiger Reaktanten für die feste Vorstufe des WO₃ . erforderlich , wie in früheren Veröffentlichungen ausgearbeitet [29,30,31]. Eine makroskopisch glatte Grenze des WSe₂ . wie gewachsen impliziert zufällig verteilte und kleine Körner. Im Gegensatz dazu ist die sequentielle WSe₂ Wachstum bei verschiedenen Temperaturen mit PTAS als Saatpromotor ist in Abb. 2 c und d dargestellt. Die PTAS-Promotoren reduzieren die Wachstumstemperatur für eine perfekte sequentielle WSe₂ . erheblich Wachstum an den Graphenkanten mit größeren Domänengrößen, das dem Wachstumsverhalten in den TMD-TMD-Heterojunctions ähnelt [22]. Nach dem sequentiellen WSe₂ Wachstum bei 800°C, die Beobachtung eines einheitlichen Kontrasts und einer höheren Intensität bei der Raman-Kartierung der G’-Bande (Graphen) weist auf eine verringerte Schädigung des Graphens aufgrund des niedrigen Temperaturwachstums hin. Bei erhöhter Temperatur ein kontinuierliches WSe₂ Film füllt die gemusterten Bereiche mit idealem Kontakt zu den Kanten des gemusterten Graphens (Abb. 2d). Beachten Sie, dass eine größere Domänengröße mit einer klaren dreieckigen Form der Monoschicht WSe₂ an die Kanten des Graphens genäht (Abb. 2c), was auf eine bessere Qualität der sequentiellen WSe₂ hindeutet Wachstum. Mit optimierten Wachstumsbedingungen auf Saatpromotoren und Temperatur, skalierbarem und hochwertigem Monolayer WSe₂ wird durch das LPCVD-System realisiert, wie in den unterstützenden Informationen dargestellt (zusätzliche Datei 1:Abbildung S1). Es ist bemerkenswert, dass die sequentielle TMD-Synthese an den Kanten von gemustertem Graphen allgemein in anderen Heterojunctions verschiedener TMD und Graphen beobachtet wird, wie in den Begleitinformationen gezeigt (zusätzliche Datei 1:Abbildung S2).

Temperaturabhängiger WSe₂ Wachstum mit Seeding-Promotor:Optische Bilder, Raman-Mapping-Bilder des A_1g Modus (WSe₂ ) und die G’-Bande (Graphen) der Proben, die bei verschiedenen Temperaturen synthetisiert werden a , b ohne und c , d mit PTAS als Seeding-Promotor

Um die Heterojunction des WSe₂ . weiter zu untersuchen -Graphen wird eine hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM)-Messung durchgeführt. In Fig. 3a zeigt das TEM-Bild des ausgewählten Bereichs, dass der Überlappungsbereich zwischen schwarzen (Graphenende) und grünen (TMD-Ende) gestrichelten Linien aus dem vorstrukturierten Graphen und dem sequentiell gewachsenen WSe₂ . besteht Monoschicht. Die Breite des überlappenden Bereichs beträgt ungefähr 500 nm. Aufgrund der unvermeidlichen Verzerrungen des Graphens durch den energiereichen Elektronenstrahl wird erwartungsgemäß ein amorphes TEM-Bild für das Graphengitter beobachtet. Abbildung 3 c und d zeigen die berechneten und experimentellen Beobachtungen im HRTEM-Bild zum besseren Verständnis des sequentiellen TMD-Wachstums am Heteroübergang. Beobachtung von hexagonalen Gittern und Elementarzellen von Graphen (~ 2.5 Å) und WSe₂ (~ 3.3 Å) stimmt mit den Parametern in Volumengittern von Graphen (2.46 Å) und WSe₂ . überein (3,28 Å). Die TEM-Charakterisierungen zeigen, dass die sequentielle WSe₂ Das Wachstum beginnt an den Kanten des vorstrukturierten Graphens, da eine höhere Defektdichte an den Graphenkanten das vertikale Inselwachstum mit mehr Nukleationsstellen verstärkt. Eine große Gitterfehlanpassung von mehr als 20% zwischen dem Gitter von Graphen und TMD könnte für eine ungeordnete Grenzfläche mit höherer Defektdichte und für ein kombiniertes vertikales und laterales TMD-Wachstum am Heteroübergang verantwortlich sein. Darüber hinaus zeigen die Einschübe in Fig. 3d die entsprechenden Diffraktogramme durch schnelle Fourier-Transformation (FFT) von Realraum-Atombildern in der Überlappungsregion und der Graphenregion. Im Graphenbereich (links) wird nur ein Satz von Beugungsmustern beobachtet, während im überlappenden Bereich (rechts) zwei Sätze von Beugungsmustern beobachtet werden, die mit einem Verdrehungswinkel von 0,35° gedreht wurden. Ein stark reduzierter Verdrehungswinkel zwischen Graphen und WSe₂ Gitter impliziert, dass das sequentielle Wachstum der WSe₂ begünstigt eine kohärente Stapelung an den Graphenkanten.

TEM-Charakterisierung der Heterojunction des lateral genähten Graphen-WSe₂ . a Bild mit geringer Vergrößerung, b schematische Darstellungen, c simuliert und d beobachtete HRTEM-Bilder des Heteroübergangs von Graphen-WSe₂ . Der rechte Einschub zeigt ein FFT-Bild des Überlappungsbereichs der gestapelten WSe₂ auf Graphen, während der linke Einschub den des Graphens zeigt. Raman-Kartierung von e die E_2g Modus des WSe₂ und f das G’-Band des Graphens im Monolayer-Heteroübergang

Zur Demonstration der Feldeffekteigenschaften der WSe₂ . im angebauten Zustand an den Kanten der gemusterten Graphen-Hetero-Vorrichtung genäht, wird die Vorrichtung ohne Probentransfer hergestellt. Es wird ein kundenspezifischer Herstellungsprozess basierend auf Oberflächenfunktionalität für die Elektronenstrahllithographie auf einem Isolator entwickelt. Elektronische Transportleistung des genähten Graphen-WSe₂ Das Gerät wird untersucht, indem Metallelektroden (Pd 40 nm) mit dem strukturierten Graphen verbunden und Al₂ . abgeschieden werden O₃ (50 nm) als Gatedielektrikum. Abbildung 4a und b zeigen die schematische Darstellung des Top-Gate-Heterojunction-Bauelements bzw. das optische Bild des so hergestellten Bauelements. Elektronische Transportmessungen mit zwei Anschlüssen werden unter Verwendung einer kommerziellen Sondenstation (Lake Shore Cryotronics PS-100 mit Agilent B1500a) unter Vakuum bei Raumtemperatur durchgeführt. Die Übertragungskurve des Geräts zeigt ein p-Typ-Transportverhalten mit einem Ein/Aus-Verhältnis (~ 10 ⁴ ) und einen hohen Einschaltstrom von etwa einigen 100 nA (Abb. 4c). Die Feldeffektmobilität des Geräts im linearen Bereich beträgt etwa 0,07 cm ² . /Vs bei V _d = 2 V, die mit der folgenden Gleichung berechnet wird:

wobei C _Ochse = ε ₀ ε _r /d ist die Oxidkapazität und L (9 μm) und W (24 μm) sind die Kanallänge bzw. die Kanalbreite. Darüber hinaus sind die Ausgangskurven des Geräts bei verschiedenen Gatespannungen in Fig. 4d gezeigt. Das lineare Ich -V Kurven bestätigen einen guten Kontakt zwischen Graphenschicht und WSe₂ Schicht. Aufgrund der verbesserten Kontakteigenschaften wird eine verbesserte elektronische Leistung der gestickten TMD-Graphen-Monoschicht-Heteroübergänge erreicht, was darauf hindeutet, dass die Synthese für sequentielles TMD-Wachstum an den Kanten von künstlich strukturiertem Graphen einen bedeutenden Schritt in Richtung 2D-Nanoelektronik darstellt.

Elektronische Aufführung des WSe₂ mit genähten Graphenkontakten. a Der Schaltplan, b das optische Bild, c die Übertragungskurve und d Ausgangskurven des Top-Gate-Monoschicht-Heterojunction-Bauelements des gestitchten Graphen-WSe₂

Schlussfolgerungen

Sequentielles WSe₂ Wachstum an den Rändern des gemusterten Graphens wird auf Saphir durch die Verwendung von Promotor-unterstützter LPCVD erreicht. Die PTAS-Promotoren reduzieren die Wachstumstemperatur für eine ideale sequentielle WSe₂ . erheblich Wachstum an den Graphenkanten mit größeren Domänengrößen.

Die TEM-Charakterisierungen zeigen, dass die sequentielle WSe₂ das Wachstum beginnt an den Rändern des vorstrukturierten Graphens. Ein stark reduzierter Verdrehungswinkel zwischen Graphen und WSe₂ Gitter impliziert, dass die sequentielle WSe₂ Wachstum begünstigt eine kohärente Stapelung an den Graphenkanten. Aufgrund der verbesserten Kontakteigenschaften wird eine verbesserte elektronische Leistung der zusammengefügten TMD-Graphen-Monoschicht-Heteroübergänge erreicht.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

AES:

Auger-Elektronenspektroskopie

EIS:

Elektrochemische Impedanzspektroskopie

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TMD:

Übergangsmetalldichalkogenide

XPS:

Röntgenphotoelektronenspektroskopie

XRD:

Röntgenbeugung