Croissance sélective de WSe2 avec des contacts en graphène

Introduction

Les matériaux monocouches de van der Waals, tels que le graphène et le dichalcogénure de métal de transition (TMD), présentent d'excellentes performances électroniques et un corps atomiquement épais sans liaisons pendantes à la surface, ce qui offre des solutions potentielles pour la limite fondamentale des matériaux de canal dans la loi de Moore, comme le canal court effets et divers défis dans la mise à l'échelle [1, 2]. Au cours de la dernière décennie, la nanoélectronique des matériaux bidimensionnels (2D) et les applications associées ont été fortement entravées par des problèmes de contact critiques avec les monocouches TMD semi-conductrices en raison de l'effet significatif d'épinglage au niveau de Fermi dû aux défauts impliqués dans les processus de synthèse, de fabrication et d'intégration. 3,4,5,6]. Des efforts considérables, y compris l'ingénierie de phase des matériaux du 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 la couche tampon de graphène [12, 13], sont réalisées pour des performances électroniques essentielles avec des propriétés de contact améliorées.

Récemment, l'intégration de graphène conducteur et de TMD semi-conducteur pour des contacts améliorés et de nouvelles propriétés est réalisée par croissance directe de TMD en utilisant un dépôt chimique en phase vapeur au bord du graphène à motifs artificiels [14,15,16,17,18,19,20,21] . Les hétérojonctions entre différents matériaux 2D permettent une multifonctionnalité essentielle des canaux monocouches pour une capacité et une intégration plus larges [22,23,24,25,26,27]. Une barrière tunnel faible est obtenue à l'hétérojonction du MoS₂ cousu latéralement -graphène, permettant l'inverseur et les portes négatives ET (NAND) pour un ensemble complet de circuits logiques basés sur des matériaux 2D [16, 17]. Le prochain objectif essentiel est de réaliser des unités électroniques de base d'inverseurs à semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS) et d'autres circuits logiques avec des matériaux 2D évolutifs. Vers cet objectif, cependant, cela reste un défi de longue durée sur la fabrication sélective et contrôlable de transistors de type p ou ambipolaires avec une faible barrière Schottky [28]. La plupart des transistors de type p sont démontrés avec des séléniures de tungstène (WSe₂ ) mais une température élevée est requise pour le WSe₂ croissance en raison d'une température d'évaporation plus élevée du WO₃ précurseur [29,30,31]. Une synthèse à basse température de la croissance séquentielle de la monocouche au niveau des matériaux 2D pré-structurés est principalement réalisée avec le TMD à base de Mo.

Ici, nous utilisons un promoteur d'ensemencement et un processus CVD à basse pression pour améliorer le WSe₂ séquentiel croissance avec une température de croissance réduite pour des fluctuations de composition réduites et une qualité d'hétéro-interface élevée [32, 33]. Comportement de croissance du WSe₂ séquentiel la croissance au bord du graphène à motifs est discutée. Avec des conditions de croissance optimisées, une interface de haute qualité du WSe₂ cousu latéralement -le graphène est obtenu et étudié au MET. Fabrication du dispositif et performances électroniques du WSe₂ cousu latéralement -graphène sont présentés.

Méthode/Expérimental

Synthèse de WSe₂ et graphène

Grande surface WSe₂ les films ont été synthétisés sur saphir et SiO₂ Substrats /Si dans le four. Avant le processus de croissance, les substrats ont été nettoyés avec de l'acétone, de l'isopropanol, puis de l'eau pendant 10 min, respectivement. Le sel tétrapotassique de l'acide pérylène-3,4,9,10-tétracarboxylique (PTAS) a été uniformément appliqué sur la surface du substrat en tant que promoteurs d'ensemencement pour améliorer l'activité et le taux de croissance des monocouches. 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 et à côté du WO ₃ poudre. Le WSe₂ les échantillons ont été synthétisés pendant 800~900 °C pendant 10 min avec une vitesse de chauffe de 30 °C min ⁻¹ et sous un mélange de N₂ /H₂ débit à 1,2 Torr. Le graphène est synthétisé sur feuille de Cu à 1000 °C pendant 10 min avec une vitesse de chauffe de 30 °C min ⁻¹ et sous un mélange de CH₄ /H₂ débit à 4 Torr. Le motif graphène est réalisé par lithographie par faisceau électronique et gravure au plasma d'oxygène.

Fabrication d'appareils

Le graphène-WSe₂ dispositifs ont été fabriqués sans transfert d'échantillon. Un processus de lithographie par faisceau électronique a été effectué pour définir les électrodes sur la couche de graphène à motifs. Une fine couche métallique de Pd (40  nm) a été déposée par évaporation par faisceau électronique et un processus de décollement suivant a été effectué dans de l'acétone. La couche d'encapsulation et le diélectrique de grille du dispositif sont fabriqués en utilisant un dépôt de couche atomique (ALD) d'Al₂ mince O₃ films (50 nm). Un mince métal de Pd (40  nm) a été déposé sur la couche diélectrique pour être utilisé comme électrodes de grille. Pour améliorer les performances électroniques, les appareils 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 confocale Raman commerciale (Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). La longueur d'onde et la taille du spot du laser sont respectivement de 532 nm et 1–2 μm. Des réseaux typiques ont été utilisés avec 300 g/mm pour le PL (basse résolution) pour obtenir un spectre à large bande et (haute résolution) 1800  g/mm pour les signaux Raman pour obtenir des informations détaillées sur le matériau. Les échantillons MET ont été préparés en utilisant la technique de transfert PMMA standard pour placer le graphène-WSe₂ nanofeuillets sur la grille de Cu à trous de carbone. Les images MET ont été réalisées à une tension d'accélération de 80 kV (STEM corrigée au Cs, JEOL, JEM-ARM200F). Les mesures électriques ont été mesurées à l'aide d'un analyseur de dispositifs à semi-conducteurs Agilent B1500a.

Résultats et discussion

Pour contrôler la synthèse de l'hétérojonction latérale du graphène et du WSe₂ , la croissance séquentielle de la monocouche TMD sur les bords du graphène est démontrée sur la figure 1a. Le graphène monocouche est d'abord cultivé sur une feuille de cuivre, puis transféré sur un substrat de saphir frais en utilisant la méthode de transfert standard assistée par PMMA. Lithographie e-beam conventionnelle et O₂ des processus de gravure au plasma sont menés pour définir la région de croissance séquentielle de la monocouche WSe₂ . Synthèse directe de monocouche WSe₂ sur les bords du graphène à motifs sur un substrat de saphir est obtenu par CVD à basse pression avec PTAS comme promoteurs d'ensemencement. Des informations plus détaillées sur la synthèse sont décrites dans la section « Méthode/Expérimental ». Dans la Fig. 1b, cartographie Raman de la bande G’ dans le graphène-WSe₂ cousu latéralement affiche un contraste uniforme, ce qui confirme un endommagement réduit du graphène pré-structuré après la synthèse CVD séquentielle du WSe₂ croissance. Dans la Fig. 1c, image AFM de la croissance à motifs du graphène-WSe₂ indique une morphologie de surface lisse de l'hétérojonction monocouche. La figure 1d présente les spectres Raman du E_2g mode (WSe₂ —bleu) et la bande G' (graphène—vert) comme étiquettes sur la figure 1c, qui sont cohérents avec les études rapportées [34]. Pour illustrer l'uniformité de l'hétérojonction telle que cultivée, cartographie Raman du graphène-WSe₂ à motifs est illustré à la Fig. 1 e et f, respectivement. Un contraste uniforme de l'intensité Raman dans les images cartographiques est clairement observé, suggérant une synthèse contrôlable sur la croissance hétérogène de la monocouche WSe₂ de haute qualité sur les bords du graphène pré-motif.

Croissance maîtrisée du WSe₂ au graphène à motifs. un Schéma du WSe₂ cousu latéralement -synthèse de graphène. b Cartographie Raman pour la bande G' du graphène et c Image AFM de la croissance modelée du WSe₂ -graphène. d Spectres Raman du E_2g mode (WSe₂ —bleu) et la bande G' (graphène—vert) en c . Cartographie Raman de e le E_2g mode du WSe₂ et f la bande G' du graphène dans l'hétérojonction monocouche

Pour clarifier le comportement de croissance du graphène-TMD cousu, le WSe₂ la synthèse au niveau du graphène à motifs est réalisée avec et sans promoteurs. Les figures 2 a et b suggèrent le WSe₂ croissance à différentes températures sans PTAS comme promoteur d'ensemencement. Au-dessus de 850°C, la croissance séquentielle du WSe₂ apparaît sur les bords du graphène. Une température de croissance élevée pour WSe₂ une croissance est nécessaire en raison de la réduction des réactifs gazeux pour le précurseur solide du WO₃ , tel qu'élaboré dans des articles précédents [29,30,31]. Une limite macroscopiquement lisse du WSe₂ tel que cultivé implique une distribution aléatoire et une petite taille de grains. En revanche, le WSe₂ séquentiel la croissance à différentes températures avec le PTAS comme promoteur d'ensemencement est présentée dans les Fig. 2 c et d. Les promoteurs PTAS réduisent considérablement la température de croissance pour un WSe₂ séquentiel parfait croissance aux bords du graphène avec des tailles de domaine plus grandes, ce qui est similaire au comportement de croissance dans les hétérojonctions TMD-TMD [22]. Après le WSe₂ séquentiel croissance 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 un endommagement réduit du graphène en raison de la croissance à basse température. Avec une température accrue, un WSe₂ continu le film remplit les régions à motifs avec un contact idéal avec les bords du graphène à motifs (Fig. 2d). Notez qu'une taille de domaine plus grande avec une forme triangulaire claire de la monocouche WSe₂ cousu aux bords du graphène (Fig. 2c), suggérant une meilleure qualité du WSe₂ séquentiel croissance. Avec des conditions de croissance optimisées sur les promoteurs de semis et la température, monocouche évolutive et de haute qualité WSe₂ est réalisé par le système LPCVD tel que présenté dans les informations justificatives (Fichier supplémentaire 1 :Figure S1). Il est à noter que la synthèse séquentielle de TMD sur les bords du graphène à motifs est universellement observée dans d'autres hétérojonctions de différents TMD et graphène, comme indiqué dans les informations complémentaires (Fichier supplémentaire 1 :Figure S2).

WSe₂ en fonction de la température croissance avec promoteur d'ensemencement :images optiques, images de cartographie Raman du A_1g mode (WSe₂ ) et la bande G’ (graphène) des échantillons synthétisés à différentes températures a , b sans et c , d avec PTAS comme promoteur d'ensemencement

Pour approfondir l'hétérojonction du WSe₂ -graphène, une mesure par microscopie électronique à transmission à haute résolution (HRTEM) est effectuée. Sur la figure 3a, l'image TEM de la zone sélectionnée indique que la région de chevauchement entre les lignes pointillées noires (extrémité du graphène) et vertes (extrémité TMD) est composée du graphène pré-motif et de la croissance séquentielle WSe₂ monocouche. 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 des distorsions inévitables du graphène avec le faisceau d'électrons énergétique. Les figures 3 c et d présentent l'observation calculée et expérimentale sur l'image HRTEM pour une meilleure compréhension de la croissance séquentielle du TMD à l'hétérojonction. Observation de réseaux hexagonaux et de maille unitaire de graphène (~ 2.5 Å) et WSe₂ (~ 3,3 Å) est cohérent avec les paramètres dans les réseaux en vrac du graphène (2,46 Å) et WSe₂ (3.28 Å). Les caractérisations TEM indiquent que le WSe₂ séquentiel la croissance commence sur les bords du graphène pré-structuré car une densité de défauts plus élevée au bord du graphène améliore la croissance des îlots verticaux avec plus de sites de nucléation. Un grand décalage de réseau de plus de 20 % entre le réseau du graphène et le TMD pourrait être responsable d'une interface de désordre avec une densité de défauts plus élevée et d'une croissance combinée verticale et latérale du TMD à l'hétérojonction. De plus, les encarts de la figure 3d montrent les diffractogrammes correspondants par transformée de Fourier rapide (FFT) d'images atomiques de l'espace réel dans la région de chevauchement et la région de graphène. Un seul ensemble de motifs de diffraction est observé dans la région du graphène (à gauche), tandis que deux ensembles de motifs de diffraction tournés avec un angle de torsion de 0,35° sont observés dans la région superposée (à droite). Un angle de torsion très réduit entre le graphène et le WSe₂ des réseaux implique que la croissance séquentielle de la WSe₂ favorise un empilement cohérent sur les bords du graphène.

Caractérisation MET de l'hétérojonction du graphène-WSe₂ cousu latéralement . un Image à faible grossissement, b illustrations schématiques, c simulé, et d images HRTEM observées de l'hétérojonction du graphène-WSe₂ . L'encart droit montre l'image FFT de la région de chevauchement du WSe₂ empilé sur le graphène, tandis que l'encart de gauche affiche celui du graphène. Cartographie Raman de e le E_2g mode du WSe₂ et f la bande G' du graphène dans l'hétérojonction monocouche

Démontrer les propriétés d'effet de champ du WSe₂ tel que cultivé cousu sur les bords de l'hétéro-dispositif en graphène à motifs, le dispositif est fabriqué sans transfert d'échantillon. Un processus de fabrication personnalisé basé sur la fonctionnalité de surface pour la lithographie par faisceau électronique sur un isolant est développé. Performances de transport électronique du graphène-WSe₂ cousu dispositif est étudié en connectant des électrodes métalliques (Pd 40 nm) avec le graphène à motifs et en déposant Al₂ O₃ (50 nm) comme diélectrique de grille. Les figures 4 a et b montrent l'illustration schématique du dispositif à hétérojonction à grille supérieure et l'image optique du dispositif tel que fabriqué, respectivement. Les mesures de transport électronique à deux bornes sont effectuées à l'aide d'une station-sonde commerciale (Lake Shore Cryotronics PS-100 avec Agilent B1500a) sous vide à température ambiante. La courbe de transfert de l'appareil présente un comportement de transport de type p avec un rapport marche/arrêt (~ 10 ⁴ ) et un courant passant élevé d'environ quelques 100  nA (Fig. 4c). La mobilité à effet de champ de l'appareil dans la région linéaire est d'environ 0,07 cm ² /Vs à V _d = 2 V, qui est évalué à l'aide de l'équation suivante :

où C _bœuf = ε ₀ ε _r /d est la capacité d'oxyde et L (9 μm) et W (24 μm) sont respectivement la longueur et la largeur du canal. De plus, les courbes de sortie de l'appareil à différentes tensions de grille sont illustrées à la Fig. 4d. Le Je linéaire -V les courbes confirment un bon contact entre la couche de graphène et WSe₂ couche. Une performance électronique améliorée des hétérojonctions monocouches TMD-graphène cousues est obtenue grâce à des propriétés de contact améliorées, suggérant que la synthèse pour la croissance séquentielle de TMD sur les bords du graphène à motifs artificiels fait un pas important vers la nanoélectronique 2D.

Performances électroniques du WSe₂ avec des contacts cousus en graphène. un Le schéma, b l'image optique, c la courbe de transfert, et d courbes de sortie du dispositif d'hétérojonction monocouche à grille supérieure du graphène-WSe₂ cousu

Conclusions

WSe₂ séquentiel la croissance sur les bords du graphène à motifs est obtenue sur du saphir en utilisant le LPCVD assisté par promoteur. Les promoteurs PTAS réduisent considérablement la température de croissance pour un WSe₂ séquentiel idéal croissance sur les bords du graphène avec des tailles de domaine plus grandes.

Les caractérisations TEM indiquent que le WSe₂ séquentiel la croissance commence aux bords du graphène pré-structuré. Un angle de torsion très réduit entre le graphène et le WSe₂ treillis implique que le WSe₂ séquentiel la croissance favorise un empilement cohérent aux bords du graphène. Une performance électronique améliorée des hétérojonctions monocouches TMD-graphène cousues est obtenue grâce à des propriétés de contact améliorées.

Disponibilité des données et des matériaux

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

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

AES :

Spectroscopie électronique Auger

EIS :

Spectroscopie d'impédance électrochimique

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition

XPS :

Spectroscopie photoélectronique aux rayons X

XRD :

Diffraction des rayons X