Croissance contrôlée à basse température de WSe₂ sur graphène pour transistors p-type efficaces

Résumé

La nanoélectronique des matériaux bidimensionnels (2D) et ses applications se heurtent à des problèmes critiques de contact avec les monocouches semi-conductrices. Pour résoudre ces problèmes, un défi fondamental consiste à fabriquer de manière sélective et contrôlée des transistors p-type ou ambipolaires avec une barrière de Schottky faible. La plupart des transistors p-type sont démontrés avec des séléniures de tungstène (WSe₂), mais nécessitent une température de croissance élevée. Ici, nous utilisons un promoteur d'amorçage et un procédé CVD à basse pression pour améliorer la croissance séquentielle du WSe₂ avec une température réduite de 800 °C, limitant les fluctuations compositionnelles et assurant une haute qualité d'hétérointerface. Le comportement de croissance du WSe₂ séquentiel au bord de graphène structuré est discuté. Avec des conditions optimisées, une interface de haute qualité du WSe₂-graphène cousu latéralement est obtenue et caractérisée par microscopie électronique en transmission (MET). La fabrication de dispositifs et les performances électroniques du WSe₂-graphène cousu latéralement sont présentées.

Introduction

Les matériaux de van der Waals monocouches, tels que le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition (DMT), présentent d'excellentes performances électroniques et un corps atomiquement épais sans liaisons pendantes en surface, offrant des solutions potentielles aux limites fondamentales des matériaux de canal dans la loi de Moore, comme les effets de canal court et divers défis de miniaturisation [1, 2]. Au cours de la dernière décennie, la nanoélectronique des matériaux 2D et ses applications sont fortement entravées par des problèmes critiques de contact avec les monocouches de DMT semi-conducteurs en raison d'un effet significatif de pincement du niveau de Fermi dû aux défauts impliqués dans les processus de synthèse, de fabrication et d'intégration [3,4,5,6]. Des efforts considérables, incluant l'ingénierie de phase des matériaux de canal (de la phase 1H semi-conductrice à la phase 1T conductrice) [7], la géométrie des contacts [8,9,10,11], et l'ingénierie d'interface avec une couche tampon de graphène [12, 13], sont menés pour obtenir des performances électroniques essentielles avec des propriétés de contact améliorées.

Récemment, l'intégration de graphène conducteur et de DMT semi-conducteur pour des contacts améliorés et de nouvelles propriétés est réalisée par croissance directe de DMT par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) au bord de graphène structuré artificiellement [14-21]. Les hétérojonctions entre différents matériaux 2D permettent une multifonctionnalité essentielle des canaux monocouches pour une capacité et une intégration plus larges [22-27]. Une barrière de tunnel faible est atteinte à l'hétérojonction du MoS₂-graphène cousu latéralement, permettant des inverseurs et des portes NAND (NON-ET) pour un ensemble complet de circuits logiques basés sur des matériaux 2D [16, 17]. L'objectif suivant est de réaliser des unités électroniques de base d'inverseurs CMOS complémentaires et d'autres circuits logiques avec des matériaux 2D évolutifs. Vers cet objectif, cependant, il reste un défi persistant sur la fabrication sélective et contrôlée de transistors p-type ou ambipolaires avec une faible barrière de Schottky [28]. La plupart des transistors p-type sont démontrés avec des séléniures de tungstène (WSe₂), mais une température élevée est requise pour la croissance du WSe₂ en raison d'une température d'évaporation plus élevée du précurseur WO₃ [29,30,31]. Une synthèse à basse température de la croissance monocouche séquentielle sur des matériaux 2D pré-structurés est principalement réalisée avec des DMT à base de Mo.

Ici, nous utilisons un promoteur d'amorçage et un procédé CVD à basse pression pour améliorer la croissance séquentielle du WSe₂ avec une température de croissance réduite, limitant les fluctuations compositionnelles et assurant une haute qualité d'hétérointerface [32, 33]. Le comportement de croissance du WSe₂ séquentiel au bord de graphène structuré est discuté. Avec des conditions de croissance optimisées, une interface de haute qualité du WSe₂-graphène cousu latéralement est obtenue et étudiée par MET. La fabrication de dispositifs et les performances électroniques du WSe₂-graphène cousu latéralement sont présentées.

Méthode/Expérimental

Synthèse du WSe₂ et du graphène

Des films de WSe₂ de grande surface ont été synthétisés sur substrats de saphir et SiO₂/Si dans un four. Avant la croissance, les substrats ont été nettoyés à l'acétone, à l'isopropanol, puis à l'eau pendant 10 min chacun. Le sel de potassium du tétrate de perylène-3,4,9,10-tétracarboxylique (PTAS) a été uniformément déposé sur la surface du substrat comme promoteur d'amorçage pour améliorer l'activité et le taux de croissance des monocouches. Des précurseurs solides de haute pureté de WO₃ (Alfa Aesar, 99,9995 % CAS#1313-27-5) et Se (Sigma-Aldrich, 99,5 % CAS#7704-34-9) ont été placés dans deux creusets en céramique, et les substrats ont été placés face vers le haut à côté de la poudre de WO₃. Les échantillons de WSe₂ ont été synthétisés entre 800 et 900 °C pendant 10 min avec un taux de chauffe de 30 °C/min sous un mélange de flux N₂/H₂ à 1,2 Torr. Le graphène est synthétisé sur feuille de Cu à 1000 °C pendant 10 min avec un taux de chauffe de 30 °C/min sous un mélange de flux CH₄/H₂ à 4 Torr. Le graphène structuré est réalisé par lithographie à faisceau d'électrons et gravure par plasma d'oxygène.

Fabrication des dispositifs

Les dispositifs graphène-WSe₂ ont été fabriqués sans transfert d'échantillon. Un processus de lithographie à faisceau d'électrons a été effectué pour définir les électrodes sur la couche de graphène structuré. Une fine couche métallique de Pd (40 nm) a été déposée par évaporation à faisceau d'électrons, suivie d'un processus de lift-off dans l'acétone. La couche d'encapsulation et le diélectrique de grille du dispositif sont fabriqués par dépôt de couches atomiques (ALD) de fines couches d'Al₂O₃ (50 nm). Une fine couche de Pd (40 nm) a été déposée sur la couche diélectrique pour servir d'électrodes de grille. Pour améliorer les performances électroniques, les dispositifs sont recuits à ~120 °C pendant ~12 h dans un environnement sous vide de ~10⁻⁵ Torr.

Caractérisations

Les spectres Raman et la photoluminescence (PL) ont été obtenus par spectroscopie Raman confocale commerciale (Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). La longueur d'onde et la taille du spot du laser sont de 532 nm et 1-2 μm respectivement. Des réseaux typiques de 300 traits/mm pour la PL (basse résolution) pour obtenir un spectre large bande et de 1800 traits/mm (haute résolution) pour les signaux Raman pour obtenir des informations détaillées sur le matériau. Les échantillons MET ont été préparés par la technique standard de transfert PMMA pour placer les nano-feuilles graphène-WSe₂ sur une grille de Cu au carbone troué. Les images MET ont été réalisées à une tension d'accélération de 80 kV (STEM corrigé Cs, JEOL, JEM-ARM200F). Les mesures électriques ont été effectuées à l'aide d'un analyseur de dispositifs semi-conducteurs Agilent B1500a.

Résultats et Discussion

Pour contrôler la synthèse de l'hétérojonction latérale de graphène et WSe₂, la croissance séquentielle du DMT monocouche au bord du graphène est démontrée dans la Fig. 1a. Le graphène monocouche est d'abord cultivé sur une feuille de cuivre, puis transféré sur un substrat de saphir frais par la méthode standard de transfert assistée par PMMA. Des processus conventionnels de lithographie à faisceau d'électrons et de gravure par plasma O₂ sont menés pour définir la région de croissance séquentielle du WSe₂ monocouche. La synthèse directe du WSe₂ monocouche aux bords du graphène structuré sur substrat de saphir est réalisée par CVD à basse pression avec le PTAS comme promoteur d'amorçage. Des informations plus détaillées sur la synthèse sont décrites dans la section « Méthode/Expérimental ». Dans la Fig. 1b, le cartographie Raman de la bande G' dans le graphène-WSe₂ cousu latéralement affiche un contraste uniforme, confirmant une réduction des dommages du graphène pré-structuré après la synthèse CVD séquentielle de la croissance du WSe₂. Dans la Fig. 1c, l'image AFM de la croissance structurée du graphène-WSe₂ indique une morphologie de surface lisse de l'hétérojonction monocouche. La Fig. 1d présente les spectres Raman du mode E₂g (WSe₂ — bleu) et de la bande G' (graphène — vert) comme indiqués dans la Fig. 1c, cohérents avec les études rapportées [34]. Pour illustrer l'uniformité de l'hétérojonction cultivée, le cartographie Raman du graphène-WSe₂ structuré est montré dans la Fig. 1e et f respectivement. Un contraste uniforme de l'intensité Raman dans les images de cartographie est clairement observé, suggérant une synthèse contrôlable de la croissance hétérogène de WSe₂ monocouche de haute qualité aux bords du graphène pré-structuré.

Croissance contrôlée du WSe₂ sur graphène structuré. a Schéma de la synthèse du WSe₂-graphène cousu latéralement. b Cartographie Raman pour la bande G' du graphène et c image AFM de la croissance structurée du WSe₂-graphène. d Spectres Raman du mode E₂g (WSe₂ — bleu) et de la bande G' (graphène — vert) en c. Cartographie Raman de e du mode E₂g du WSe₂ et f de la bande G' du graphène dans l'hétérojonction monocouche

Pour clarifier le comportement de croissance du graphène-DMT cousu, la synthèse du WSe₂ sur le graphène structuré est réalisée avec et sans promoteurs. La Fig. 2a et b suggèrent la croissance du WSe₂ à différentes températures sans PTAS comme promoteur d'amorçage. Au-dessus de 850 °C, la croissance séquentielle du WSe₂ apparaît aux bords du graphène. Une température de croissance élevée pour le WSe₂ est requise en raison de réactifs gazeux réduits pour le précurseur solide de WO₃, comme élaboré dans des articles précédents [29,30,31]. Une limite macroscopiquement lisse du WSe₂ cultivé implique des grains de taille petite et distribués aléatoirement. En revanche, la croissance séquentielle du WSe₂ à différentes températures avec PTAS comme promoteur d'amorçage est présentée en Fig. 2c et d. Les promoteurs PTAS réduisent significativement la température de croissance pour une croissance séquentielle parfaite du WSe₂ aux bords du graphène avec des tailles de domaines plus grandes, ce qui est similaire au comportement de croissance dans les hétérojonctions DMT-DMT [22]. Après la croissance séquentielle du WSe₂ à 800 °C, l'observation d'un contraste uniforme et d'une intensité plus élevée dans la cartographie Raman de la bande G' (graphène) indique une réduction des dommages du graphène due à la croissance à basse température. Avec l'augmentation de la température, un film continu de WSe₂ remplit les régions structurées avec un contact idéal aux bords du graphène structuré (Fig. 2d). Notons qu'une taille de domaine plus grande avec une forme triangulaire claire du WSe₂ monocouche cousu aux bords du graphène (Fig. 2c), suggérant une meilleure qualité de la croissance séquentielle du WSe₂. Avec des conditions optimisées sur les promoteurs d'amorçage et la température, un WSe₂ monocouche évolutif et de haute qualité est réalisé par le système LPCVD comme présenté dans l'information supplémentaire (Fichier additionnel 1 : Figure S1). Il est noteworthy que la synthèse séquentielle de DMT aux bords de graphène structuré est universellement observée dans d'autres hétérojonctions de différents DMT et graphène comme montré dans l'information supplémentaire (Fichier additionnel 1 : Figure S2).

Croissance du WSe₂ dépendante de la température avec promoteur d'amorçage : Images optiques, images de cartographie Raman du mode A₁g (WSe₂) et de la bande G' (graphène) des échantillons synthétisés à différentes températures a, b sans et c, d avec PTAS comme promoteur d'amorçage

Pour étudier davantage l'hétérojonction du WSe₂-graphène, une mesure de microscopie électronique en transmission à haute résolution (HRTEM) est réalisée. Dans la Fig. 3a, une image MET en zone sélectionnée indique que la région de chevauchement entre les lignes pointillées noires (extrémité du graphène) et vertes (extrémité du DMT) est composée du graphène pré-structuré et de la monocouche de WSe₂ cultivée séquentiellement. La largeur de la région de chevauchement est d'environ 500 nm. Une image MET de type amorphe pour le réseau de graphène est observée comme prévu en raison de distorsions inévitables du graphène avec le faisceau d'électrons énergétique. La Fig. 3c et d présentent l'observation calculée et expérimentale sur l'image HRTEM pour une meilleure compréhension de la croissance séquentielle du DMT à l'hétérojonction. L'observation de réseaux hexagonaux et de mailles unitaires de graphène (~2,5 Å) et de WSe₂ (~3,3 Å) est cohérente avec les paramètres dans les réseaux massifs de graphène (2,46 Å) et de WSe₂ (3,28 Å). Les caractérisations MET indiquent que la croissance séquentielle du WSe₂ s'initie aux bords du graphène pré-structuré car une densité de défauts plus élevée au bord du graphène améliore la croissance d'îlots verticaux avec plus de sites de nucléation. Un désaccord de réseau supérieur à 20 % entre les réseaux de graphène et de DMT pourrait être responsable d'une interface désordonnée avec une densité de défauts plus élevée et d'une croissance combinée verticale et latérale du DMT à l'hétérojonction. De plus, les encadrés dans la Fig. 3d montrent les diffractogrammes correspondants par transformée de Fourier rapide (FFT) des images atomiques en espace réel dans la région de chevauchement et la région de graphène. Un seul ensemble de motif de diffraction est observé dans la région de graphène (gauche), tandis que deux ensembles de motifs de diffraction tournés avec un angle de torsion de 0,35° sont observés dans la région chevauchée (droite). Un angle de torsion hautement réduit entre les réseaux de graphène et de WSe₂ implique que la croissance séquentielle du WSe₂ favorise un empilement cohérent aux bords du graphène.

Caractérisation MET de l'hétérojonction du graphène-WSe₂ cousu latéralement. a Image à faible grossissement, b illustrations schématiques, c simulée, et d images HRTEM observées de l'hétérojonction du graphène-WSe₂. L'encadré droit montre l'image FFT de la région de chevauchement du WSe₂ empilé sur graphène, tandis que l'encadré gauche affiche celui du graphène. Cartographie Raman de e du mode E₂g du WSe₂ et f de la bande G' du graphène dans l'hétérojonction monocouche

Pour démontrer les propriétés de champ des effets du WSe₂ cultivé aux bords du graphène structuré, le dispositif est fabriqué sans transfert d'échantillon. Un processus de fabrication personnalisé basé sur la fonctionnalité de surface pour la lithographie à faisceau d'électrons sur un isolant est développé. La performance de transport électronique du dispositif d'hétérojonction graphène-WSe₂ cousu est étudiée en connectant des électrodes métalliques (Pd 40 nm) avec le graphène structuré et en déposant de l'Al₂O₃ (50 nm) comme diélectrique de grille. La Fig. 4a et b montrent l'illustration schématique du dispositif d'hétérojonction à grille supérieure et l'image optique du dispositif fabriqué, respectivement. Des mesures de transport électronique à deux bornes sont effectuées à l'aide d'une station de sondes commerciale (Lake Shore Cryotronics PS-100 avec Agilent B1500a) sous vide à température ambiante. La courbe de transfert du dispositif présente un comportement de transport p-type avec un rapport marche/arrêt (~10⁴) et un courant de marche élevé d'environ quelques centaines de nA (Fig. 4c). La mobilité de champ dans la région linéaire est d'environ 0,07 cm²/Vs à Vd = 2 V, évaluée à l'aide de l'équation suivante :

$$ \mu =\frac{1}{C_{\mathrm{ox}}}\frac{L}{W}\frac{\partial {I}_{\mathrm{D}}}{\partial {V}_{\mathrm{G}}}\frac{1}{V_{\mathrm{D}}} $$ (1)

où Cox = ε₀εᵣ/d est la capacitance de l'oxyde et L (9 μm) et W (24 μm) sont la longueur et la largeur du canal, respectivement. De plus, les courbes de sortie du dispositif à diverses tensions de grille sont montrées dans la Fig. 4d. Les courbes I-V linéaires confirment un bon contact entre la couche de graphène et la couche de WSe₂. Une performance électronique améliorée des hétérojonctions monocouches DMT-graphène cousues est obtenue grâce à des propriétés de contact améliorées, suggérant que la synthèse pour la croissance séquentielle de DMT aux bords de graphène structuré artificiellement fait un pas significatif vers la nanoélectronique 2D.

Performance électronique du WSe₂ avec contacts de graphène cousus. a Le schéma, b l'image optique, c la courbe de transfert, et d les courbes de sortie du dispositif d'hétérojonction monocouche à grille supérieure du graphène-WSe₂ cousu

Conclusions

La croissance séquentielle du WSe₂ aux bords du graphène structuré est réalisée sur saphir en utilisant un promoteur-assisted LPCVD. Les promoteurs PTAS réduisent significativement la température de croissance pour une croissance séquentielle idéale du WSe₂ aux bords du graphène avec des tailles de domaines plus grandes.

Les caractérisations MET indiquent que la croissance séquentielle du WSe₂ s'initie aux bords du graphène pré-structuré. Un angle de torsion hautement réduit entre les réseaux de graphène et de WSe₂ implique que la croissance séquentielle du WSe₂ favorise un empilement cohérent aux bords du graphène. Une performance électronique améliorée des hétérojonctions monocouches DMT-graphène cousues est obtenue grâce à des propriétés de contact améliorées.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'information supplémentaires.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

AES :

Spectroscopie Auger

EIS :

Spectroscopie d'impédance électrochimique

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscopie électronique en transmission

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X