グラフェン接点によるWSe2の選択的成長

要約

二次元（2D）材料のナノエレクトロニクスおよび関連するアプリケーションは、半導体単分子層との重大な接触の問題によって妨げられています。これらの問題を解決するための基本的な課題は、ショットキー障壁の低いp型または両極トランジスタの選択的かつ制御可能な製造です。ほとんどのp型トランジスタはセレン化タングステン（WSe ₂ ）しかし、高い成長温度が必要です。ここでは、シードプロモーターと低圧CVDプロセスを利用して、シーケンシャルWSe ₂を強化します。組成の変動を減らし、ヘテロ界面の品質を高めるために、800°Cの低い成長温度で成長します。シーケンシャルWSe ₂の成長挙動パターン化されたグラフェンのエッジでの成長について説明します。最適化された成長条件で、横方向にステッチされたWSe ₂の高品質なインターフェース -グラフェンは、透過型電子顕微鏡（TEM）で実現および特性評価されます。横方向にステッチされたWSe ₂のデバイス製造と電子性能 -グラフェンが表示されます。

はじめに

グラフェンや遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）などの単層ファンデルワールス材料は、優れた電子性能と、表面にダングリングボンドがない原子的に厚いボディを示します。これにより、短チャネルなどのムーアの法則におけるチャネル材料の基本的な限界に対する潜在的な解決策が提供されます。スケーリングにおける効果とさまざまな課題[1、2]。過去10年間で、2次元（2D）材料のナノエレクトロニクスおよび関連するアプリケーションは、合成、製造、および統合プロセスに関連する欠陥によるフェルミ準位のピン止め効果が大きいため、半導体TMD単分子層との重大な接触の問題によって大きく妨げられています。 3,4,5,6]。チャネル材料の相工学（半導体1H相から導電性1T相まで）[7]、接点の形状[8,9,10,11]、およびグラフェンバッファー層との界面工学[12、13]を含むかなりの努力。接触特性が改善された本質的な電子性能のために実行されます。

最近、接触と新しい特性を改善するための導電性グラフェンと半導体TMDの統合は、人工的にパターン化されたグラフェンのエッジでの化学蒸着を使用したTMDの直接成長によって実現されています[14、15、16、17、18、19、20、21]。。異なる2D材料間のヘテロ接合により、単層チャネルの本質的な多機能性が可能になり、より広い容量と統合が可能になります[22、23、24、25、26、27]。弱いトンネリングバリアは、横方向にステッチされたMoS ₂のヘテロ接合で実現されます。 -グラフェン、2D材料に基づく論理回路の完全なセットのためのインバーターおよび負のAND（NAND）ゲートを有効にします[16、17]。次の重要な目標は、スケーラブルな2D材料を使用して、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）インバーターおよびその他の論理回路の基本的な電子ユニットを実現することです。ただし、この目標に向けて、ショットキー障壁が低いp型または両極トランジスタの選択的かつ制御可能な製造に関する長期的な課題が残っています[28]。ほとんどのp型トランジスタはセレン化タングステン（WSe ₂ ）ただし、WSe ₂には高温が必要です WO ₃の蒸発温度が高いために成長します前駆体[29、30、31]。事前にパターン化された2D材料での連続的な単分子層成長の低温合成は、主にMoベースのTMDで実現されます。

ここでは、シードプロモーターと低圧CVDプロセスを利用して、シーケンシャルWSe ₂を強化します。組成の変動を減らし、ヘテロ界面の品質を高くするために、成長温度を下げて成長させます[32、33]。シーケンシャルWSe ₂の成長挙動パターン化されたグラフェンのエッジでの成長について説明します。最適化された成長条件で、横方向にステッチされたWSe ₂の高品質なインターフェース -グラフェンは、TEMで達成および研究されています。横方向にステッチされたWSe ₂のデバイス製造と電子性能 -グラフェンが表示されます。

メソッド/実験

WSe ₂の合成およびグラフェン

大面積WSe ₂ フィルムはサファイアとSiO ₂で合成されました炉内の/ Si基板。成長プロセスの前に、基板をアセトン、イソプロパノール、次に水でそれぞれ10分間洗浄しました。ペリレン-3,4,9,10-テトラカルボン酸テトラカリウム塩（PTAS）は、単分子層の活性と成長速度を高めるために、シード促進剤として基板表面に均一にコーティングされました。 WO ₃の高純度固体前駆体（Alfa Aesar、99.9995％CAS＃1313-27-5）およびSe（Sigma-Aldrich、99.5％CAS＃7704-34-9）を2つのセラミックるつぼに配置し、基板を上向きにしてWOの隣に配置しました。 ₃ 粉。 WSe ₂ サンプルは、800〜900°Cで10分間、30°C min ^-1 の加熱速度で合成されました。そしてN ₂の混合物の下で / H ₂ 1.2Torrで流れます。グラフェンは、Cu箔上で1000°Cで10分間、30°C min ^-1 の加熱速度で合成されます。そしてCH ₄の混合物の下で / H ₂ 4Torrで流れます。パターングラフェンは、電子ビームリソグラフィーと酸素プラズマエッチングによって実行されます。

デバイス製造

グラフェン-WSe ₂ デバイスはサンプル転送なしで製造されました。パターン化されたグラフェン層上の電極を定義するために、電子ビームリソグラフィープロセスが実行されました。電子ビーム蒸着を使用してPd（40 nm）の薄い金属層を堆積し、次のリフトオフプロセスをアセトン中で実行しました。デバイスのカプセル化層とゲート誘電体は、薄いAl ₂の原子層堆積（ALD）を使用して製造されます。 O ₃ フィルム（50 nm）。ゲート電極として使用するために、Pdの薄い金属（40 nm）を誘電体層に堆積させました。電子性能を向上させるために、デバイスは〜10 ^-5 の真空環境で〜120°Cで〜12hアニールされます。トル。

特性

ラマンスペクトルおよびフォトルミネッセンス（PL）は、市販の共焦点ラマン分光法（Micro Raman / PL / TR-PL Spectrometer、Ramaker、Protrustech）によって取得されました。レーザーの波長とスポットサイズは、それぞれ532 nmと1–2μmです。典型的なグレーティングは、広帯域スペクトルを取得するためにPL（低解像度）に300 g / mm、材料の詳細情報を取得するためにラマン信号に（高解像度）1800 g / mmで使用されました。 TEMサンプルは、標準のPMMA転送技術を使用してグラフェンを配置することによって準備されました-WSe ₂ ホーリーカーボンCuグリッド上のナノシート。 TEM画像は80kVの加速電圧で実行されました（Cs補正STEM、JEOL、JEM-ARM200F）。電気的測定は、AgilentB1500a半導体デバイスアナライザを使用して測定されました。

結果と考察

グラフェンとWSe ₂の横方向ヘテロ接合の合成を制御するには、グラフェンエッジでの単分子層TMDの連続成長は、図1aに示されています。単層グラフェンは、最初に銅箔上で成長し、その後、標準のPMMA支援転写法を使用して新しいサファイア基板に転写されます。従来の電子ビームリソグラフィーとO ₂ プラズマエッチングプロセスは、単分子層WSe ₂の連続成長のための領域を定義するために実施されます。。単層WSe ₂の直接合成サファイア基板上のパターン化されたグラフェンのエッジでは、シード促進剤としてPTASを使用した低圧CVDによって実現されます。合成の詳細については、「方法/実験」のセクションで説明しています。図1bでは、横方向にステッチされたグラフェンのG ’バンドのラマンマッピング-WSe ₂ 均一なコントラストを示します。これは、WSe ₂の順次CVD合成後、事前にパターン化されたグラフェンの損傷が減少していることを確認します。成長。図1cでは、グラフェンのパターン化された成長のAFM画像-WSe ₂ 単層ヘテロ接合の滑らかな表面形態を示します。図1dは、E _2gのラマンスペクトルを示しています。モード（WSe ₂ -青）および図1cのラベルとしてのG 'バンド（グラフェン-緑）。これは、報告された研究[34]と一致しています。成長したままのヘテロ接合の均一性を説明するために、パターン化されたグラフェンのラマンマッピング-WSe ₂ をそれぞれ図1eとfに示します。マッピング画像のラマン強度の均一なコントラストがはっきりと観察され、高品質の単層WSe ₂の不均一な成長での制御可能な合成を示唆しています。事前にパターン化されたグラフェンの端にあります。

ステッチされたグラフェン-TMDの成長挙動を明らかにするために、WSe ₂ パターン化されたグラフェンでの合成は、プロモーターの有無にかかわらず実行されます。図2aとbは、WSe ₂を示しています。播種促進剤としてPTASを使用せずに、さまざまな温度で成長させます。 850°Cを超えると、WSe ₂が順次成長します。グラフェンのエッジに表示されます。 WSe ₂の高い成長温度 WO ₃の固体前駆体のガス状反応物が減少するため、成長が必要です。、以前の論文[29,30,31]で詳しく説明されています。成長したままのWSe ₂の巨視的に滑らかな境界ランダムに分布した小さなサイズの粒子を意味します。対照的に、シーケンシャルWSe ₂ 播種促進剤としてPTASを使用したさまざまな温度での成長を図2cおよびdに示します。 PTASプロモーターは、成長温度を大幅に下げて、完全なシーケンシャルWSe ₂を実現します。より大きなドメインサイズのグラフェンエッジでの成長。これは、TMD-TMDヘテロ接合の成長挙動と同様です[22]。シーケンシャルWSe ₂の後 800°Cでの成長、G ’バンド（グラフェン）のラマンマッピングでの均一なコントラストとより高い強度の観察は、低温成長によるグラフェンの損傷の減少を示しています。温度が上昇すると、継続的なWSe ₂ フィルムは、パターン化されたグラフェンのエッジに理想的に接触して、パターン化された領域を埋めます（図2d）。単分子層WSe ₂の明確な三角形の形状を持つより大きなドメインサイズに注意してくださいグラフェンのエッジにステッチされ（図2c）、シーケンシャルWSe ₂の品質が向上していることを示しています。成長。播種促進剤と温度の最適化された成長条件で、スケーラブルで高品質の単層WSe ₂ サポート情報に示されているように、LPCVDシステムによって実現されます（追加ファイル1：図S1）。補足情報に示されているように、パターン化されたグラフェンのエッジでの順次TMD合成が、異なるTMDとグラフェンの他のヘテロ接合で普遍的に観察されることは注目に値します（追加ファイル1：図S2）。

WSe ₂のヘテロ接合をさらに調査するには -グラフェン、高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM）測定が実行されます。図3aで、選択された領域のTEM画像は、黒（グラフェン端）と緑（TMD端）の破線の間のオーバーラップ領域が、事前にパターン化されたグラフェンと連続して成長したWSe ₂で構成されていることを示しています。単層。重なり合う領域の幅は約500nmです。グラフェン格子のアモルファスのようなTEM画像は、高エネルギーの電子ビームによるグラフェンの不可避の歪みのために、予想どおりに観察されます。図3cおよびdは、ヘテロ接合での連続的なTMD成長をよりよく理解するために、HRTEM画像で計算および実験された観察結果を示しています。グラフェン（〜2.5Å）とWSe ₂の六角形格子とユニットセルの観察（〜3.3Å）は、グラフェン（2.46Å）およびWSe ₂のバルク格子のパラメーターと一致しています。（3.28Å）。 TEMの特性は、シーケンシャルWSe ₂ グラフェンのエッジでの欠陥密度が高いほど、核生成サイトが多くなり、垂直方向の島の成長が促進されるため、成長は事前にパターン化されたグラフェンのエッジで始まります。グラフェンの格子とTMDの間の20％を超える大きな格子不整合は、欠陥密度が高い無秩序界面と、ヘテロ接合での垂直方向と横方向のTMD成長の組み合わせの原因である可能性があります。さらに、図3dの挿入図は、オーバーラップ領域とグラフェン領域の実空間原子画像の高速フーリエ変換（FFT）による対応する回折図を示しています。グラフェン領域（左）では1セットの回折パターンのみが観察され、重なり合った領域（右）ではねじれ角0.35°で回転した2セットの回折パターンが観察されます。グラフェンとWSe ₂の間のねじれ角が大幅に減少ラティスは、WSe ₂の順次成長を意味しますグラフェンエッジでのコヒーレントスタッキングを優先します。

成長したままのWSe ₂の電界効果特性を示すためパターン化されたグラフェンヘテロデバイスのエッジでステッチされたデバイスは、サンプル転送なしで製造されます。絶縁体上の電子ビームリソグラフィーのための表面機能に基づくカスタマイズされた製造プロセスが開発されています。ステッチグラフェンの電子輸送性能-WSe ₂ デバイスは、金属電極（Pd 40 nm）をパターン化されたグラフェンと接続し、Al ₂を堆積させることによって研究されます。 O ₃ （50 nm）ゲート誘電体として。図4aとbは、それぞれトップゲートヘテロ接合デバイスの概略図と製造されたままのデバイスの光学画像を示しています。 2端子電子輸送測定は、市販のプローブステーション（Lake Shore CryotronicsPS-100とAgilentB1500a）を使用して、室温で真空下で実行されます。デバイスの伝達曲線は、オン/オフ比（〜10 ⁴ ）のp型輸送挙動を示します。）および約数100 nAの高いオン電流（図4c）。線形領域でのデバイスの電界効果移動度は約0.07cm ² です。 / Vs at V _d =2 V、これは次の式を使用して評価されます：

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

ここで C _ox =ε ₀ ε _r / d は酸化物の静電容量であり、 L （9μm）および W （24μm）は、それぞれチャネル長とチャネル幅です。さらに、さまざまなゲート電圧でのデバイスの出力曲線を図4dに示します。線形 I - V 曲線は、グラフェン層とWSe ₂の間の良好な接触を確認します層。接触特性が改善されたため、ステッチされたTMD-グラフェン単層ヘテロ接合の電子性能が向上しました。これは、人工的にパターン化されたグラフェンのエッジでの連続的なTMD成長の合成が、2Dナノエレクトロニクスに向けて大きな一歩を踏み出すことを示唆しています。

結論

シーケンシャルWSe ₂ パターン化されたグラフェンのエッジでの成長は、プロモーター支援LPCVDを使用してサファイア上で達成されます。 PTASプロモーターは、理想的なシーケンシャルWSe ₂の成長温度を大幅に低下させますドメインサイズが大きいグラフェンエッジでの成長。

TEMの特性は、シーケンシャルWSe ₂ 成長は、事前にパターン化されたグラフェンのエッジで始まります。グラフェンとWSe ₂の間のねじれ角が大幅に減少ラティスは、シーケンシャルWSe ₂ 成長は、グラフェンエッジでのコヒーレントスタッキングに有利に働きます。接触特性が改善されたため、ステッチされたTMD-グラフェン単層ヘテロ接合の電子性能が向上しました。