Investigasi Pita Energi pada Persimpangan Molibdenum Disulfida dan ZrO2
Abstrak
Penjajaran pita energi pada multilayer-MoS2 /ZrO2 antarmuka dan efek CHF3 pengobatan plasma pada band offset dieksplorasi menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar-x. Offset pita valensi (VBO) dan offset pita konduksi (CBO) untuk MoS2 /ZrO2 sampel masing-masing sekitar 1,87 eV dan 2,49 eV. Sementara VBO diperbesar sekitar 0,75 eV untuk sampel dengan CHF3 pengobatan plasma, yang dikaitkan dengan peningkatan level inti Zr 3d. Hasil perhitungan menunjukkan bahwa atom F memiliki interaksi yang kuat dengan atom Zr, dan pergeseran energi pita valensi untuk orbital d atom Zr adalah sekitar 0,76 eV, sesuai dengan hasil eksperimen. Temuan menarik ini mendorong penerapan ZrO2 sebagai bahan gerbang di MoS2 -perangkat elektronik berbasis dan menyediakan cara yang menjanjikan untuk menyesuaikan penyelarasan pita.
Pengantar
Dalam beberapa dekade terakhir, SiO2 Bahan berbasis /Si memainkan peran dominan dalam pembuatan perangkat elektronik, seperti sirkuit logika terintegrasi, memori nonvolatil, dan sebagainya. Namun, karena ukuran perangkat terus-menerus diperkecil dari mikrometer hingga di bawah 10 nm, semikonduktor tradisional sulit untuk memenuhi persyaratan kapasitansi spesifik yang ditingkatkan, arus bocor gerbang rendah, dan mobilitas pembawa yang tinggi. Oleh karena itu, eksplorasi semikonduktor baru sebagai saluran perangkat dan oksida tinggi sebagai isolator menjadi lebih baik. Sejak penemuan graphene, keberhasilan fabrikasi material dua dimensi (2D), terutama semikonduktor dengan celah pita yang sesuai, telah memberikan cara yang menjanjikan untuk mengatasi kelemahan ini.
Di antara bahan 2D, molibdenum disulfida (MoS2 ) dengan sifat merdu berdasarkan jumlah lapisan dan pilihan bahan substrat telah menarik perhatian yang meningkat karena tidak hanya stabilitas kimia dan fleksibilitas mekanik yang baik tetapi juga sifat optik dan listrik yang sangat baik [1, 2]. Celah pita energi dari monolayer MoS2 adalah sekitar 1,80 eV sedangkan 1,20 eV untuk massal. Performa menjanjikan dari perangkat elektronik dan optoelektronik yang terbuat dari MoS2 lapisan, seperti transistor efek medan [3,4,5], sensor [6], dan fotodetektor [7], membuktikannya sebagai pengganti potensial Si dalam elektronik konvensional dan semikonduktor organik dalam sistem yang dapat dipakai dan fleksibel [8, 9,10,11]. Meskipun MoS satu lapis2 -Transistor efek medan (FET) berbasis telah menunjukkan kinerja yang sangat baik dengan rasio hidup/mati arus yang tinggi sekitar 10
8
dan ayunan subambang rendah ~ 77 mV/dekade [3], aplikasinya yang luas terhalang oleh sintesis MoS lapisan tunggal berkualitas tinggi di area luas2 dan stabilitas perangkat [12,13,14]. MoS multi-lapisan2 bisa lebih menarik karena kepadatan tinggi negara, yang memberikan kontribusi untuk arus drive tinggi dalam batas balistik [15]. Selain itu, mobilitas pembawa multilayer MoS2 dapat lebih ditingkatkan secara signifikan dengan oksida tinggi karena efek penyaringan dielektrik [16, 17]. Oleh karena itu, penting dan penting untuk menyelidiki MoS multilayer2 /heterojungsi oksida tinggi.
Dalam perangkat elektronik heterojungsi, sifat transpor elektron dikontrol secara tepat oleh profil pita energi pada antarmuka antara semikonduktor dan isolator oksida dalam hal offset pita valensi (VBO) dan offset pita konduksi (CBO). VBO dan CBO harus sebesar mungkin untuk beroperasi sebagai penghalang untuk mengurangi arus bocor yang dibentuk oleh injeksi lubang dan elektron, terutama CBO memainkan peran penting dalam pemilihan oksida k tinggi yang cocok untuk gerbang terminal dan harus setidaknya lebih besar dari 1 eV untuk menghindari kebocoran arus [18,19,20]. Sementara itu, muatan antarmuka yang terletak di semikonduktor/oksida memberikan pengaruh penting pada rekayasa pita dan perlu dioptimalkan melalui teknologi pasivasi, seperti SiH4 pasif, dan CHF3 perlakuan. Dalam makalah ini, kami menyelidiki penyelarasan pita multilayer MoS2 / ZrO2 sistem karena sifat antarmuka memiliki pengaruh langsung pada karakteristik perangkat, dan efek CHF3 pengobatan plasma pada band offset di MoS2 /ZrO2 antarmuka dieksplorasi.
Metode dan Eksperimen
Dalam percobaan, MoS multilayer2 film ditanam di SiO2 /Si substrat dengan sistem deposisi uap kimia (CVD) dengan MoO3 dan bubuk belerang sebagai sumber Mo dan prekursor S, masing-masing. Selama proses pertumbuhan, gas Ar digunakan sebagai gas pembawa dan suhu pertumbuhan adalah 800 °C selama 5 menit. Kemudian MoS2 /ZrO2 sampel disiapkan dengan mentransfer MoS multilayer area luas2 film ke ZrO2 /Si substrat menggunakan metode poli metil metakrilat (PMMA). ZrO2 oksida (15 nm) diendapkan pada Si pada 200 °C menggunakan sistem deposisi lapisan atom (BENEQ TFS-200) dengan prekursor Tetrakis Dimethyl Amido Zirconium (TDMAZr) sebagai sumber zirkonium dan air (H2 O) sebagai sumber oksigen. Untuk menyelidiki efek CHF3 perawatan band alignment di MoS2 /ZrO2 antarmuka, untuk satu sampel, ZrO2 /Si substrat diperlakukan dengan CHF3 plasma dengan daya RF sekitar 20 W dan laju aliran sekitar 26 sccm. Sementara itu, waktu perawatan plasma sekitar 60 detik dan tekanan dijaga pada 1 Pa selama proses berlangsung. Akibatnya, dosis F yang dihasilkan adalah sekitar 2.0 × 10
14
atom/cm
2
diperkirakan dengan pengukuran spektrometri massa ion sekunder (SIMS). Selama proses optimasi waktu perawatan plasma, CHF3 plasma secara serius menurunkan kualitas material dengan memasukkan fluor yang terdifusi ke dalam ZrO2 sebagian besar ketika waktu ditetapkan pada 70 s. Sementara ketika waktu perawatan plasma adalah 50 detik, lebih kecil dari 60 detik, hasil SIMS tidak menunjukkan puncak F yang jelas pada permukaan oksida. Untuk sampel lainnya, tidak ada CHF3 pengobatan plasma dilaksanakan. Karakteristik Raman sampel diambil dalam sistem RENISHAW pada suhu kamar. Spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) diukur menggunakan sistem VG ESCALAB 220i-XL. Energi foton dari sumber sinar-x Al Kα monokromatis adalah sekitar 1486,6 eV. Selama pengukuran, energi lintasan ditetapkan pada 20 eV untuk mendapatkan spektrum XPS. Selain itu, puncak C 1 (284,8 eV) digunakan untuk mengoreksi energi ikat tingkat inti guna menghilangkan efek pengisian diferensial permukaan sampel.
Hasil dan Diskusi
Spektrum Raman dari MoS multilayer yang tumbuh dan setelah ditransfer2 dikarakterisasi pada suhu kamar seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Dua mode Raman yang menonjol diberi label sebagai A1g dan \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) diamati dalam spektrum. Secara khusus, mode \( {E}_{2g}^1 \) dihasilkan dari pergerakan berlawanan dari atom S dalam bidang sehubungan dengan atom Mo pusat di wilayah frekuensi yang lebih rendah, sedangkan A1g relatif terhadap getaran luar bidang atom S di wilayah frekuensi yang lebih tinggi [21]. Telah diamati bahwa \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) dan A1g mode MoS2 mengalami pergeseran merah dan pergeseran biru, masing-masing, dari sampel monolayer ke sampel massal, yang disebabkan oleh gaya pemulih Van der Waals antarlapisan yang berbeda dan pengaruh perubahan struktur yang diinduksi penumpukan [21]. Oleh karena itu, perbedaan frekuensi (Δk) antara A1g dan mode \( {\mathrm{E}}_{2g}^1 \) sering digunakan untuk mengevaluasi nomor lapisan atau ketebalan MoS2 film. Di sini, k dari MoS yang tumbuh2 film berukuran sekitar 25,32 cm
−1
, menunjukkan film lebih dari enam lapisan. Selain itu, hasil mikroskop elektron transmisi (TEM) penampang melintang yang ditampilkan pada sisipan Gambar 1 menunjukkan nomor lapisan MoS yang ditumbuhkan2 adalah sekitar 8 sesuai dengan ketebalan sekitar 4,5 nm. Terlebih lagi, posisi puncak Raman dan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dari MoS2 hampir sama sebelum dan sesudah transfer, menunjukkan bahwa proses transfer memberikan pengaruh kecil pada kualitas material.
Spektroskopi Raman dari MoS ultra tipis2 film sebelum dan sesudah transfer. Sisipannya adalah gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) cross-sectional dari MoS2 di ZrO2 /Si substrat, yang menunjukkan lapisan MoS2
XPS telah terbukti menjadi cara yang efisien untuk menentukan band offset pada antarmuka heterojungsi [22, 23]. Di MoS2 /ZrO2 heterojunction, nilai VBO diperoleh dari perubahan spektrum pita valensi ZrO2 antara oksida telanjang dan dengan MoS2 bahan [24]. Gambar 2a, b menunjukkan tingkat inti dan spektrum pita valensi dari ZrO telanjang2 dan multilayer-MoS2 /ZrO2 , masing-masing. Perpotongan antara garis dasar dan kemiringan ujung depan memberikan pita valensi maksimum (VBM) sampel, di mana tingkat Fermi diambil sebagai tingkat referensi. Hasilnya menunjukkan bahwa VBM ZrO2 dan multilayer-MoS2 /ZrO2 sistem masing-masing sekitar 1,88 eV dan 0,06 eV. Selain itu, spektrum tingkat inti Zr 3d dari ZrO telanjang2 menunjukkan puncak ganda yang terpisah dengan baik yang disebut sebagai Zr 3d5/2 dan 3d3/2 dengan nilai energi masing-masing 182,05 eV dan 184,45 eV, sedangkan nilai yang sesuai untuk MoS2 /ZrO2 sampel adalah 182,10 eV dan 184,50 eV. Perubahan tingkat inti Zr 3d5/2 atau 3d3/2 ~ 0,05 eV berada dalam rentang kesalahan pengukuran dan pemrosesan data. Dibandingkan dengan ZrO telanjang2 sampel, multilayer MoS2 memberikan sedikit efek pada spektrum Zr 3d seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Kemudian, selisih energi antara Zr 3d5/2 dan VBM adalah 180,17 eV dan 182,04 eV untuk ZrO kosong2 sampel dan MoS2 /ZrO2 sampel, masing-masing. Akibatnya, nilai VBO untuk multilayer-MoS2 /ZrO2 antarmuka sekitar 1,87 ± 0,05 eV, terutama dihasilkan dari perbedaan VBM antara ZrO telanjang2 dan MoS2 /ZrO2 . Demikian pula, untuk multilayer-MoS2 /ZrO2 sampel dengan CHF3 pengobatan plasma sebelum MoS2 transfer, VBM adalah sekitar 0,02 eV seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, hampir identik dengan sampel tanpa CHF3 perlakuan. Namun, spektrum Zr 3d bergerak menuju energi yang lebih tinggi sekitar 0,75 eV, Zr 3d5/2 ~ 182,85 eV, dan 3d3/2 ~185,25 eV, menunjukkan bahwa nilai VBO diperbesar sekitar 0,75 ± 0,04 eV setelah etsa plasma. Kemudian, nilai CBO ∆EC dapat diperoleh sesuai dengan rumus
dimana EG , ZrO 2 dan EG , MoS 2 adalah celah pita ZrO2 dan MoS2 , masing-masing, dan ∆EV sesuai dengan nilai VBO. Biasanya, energi celah pita isolator oksida dapat diperoleh dari spektrum energi rugi O1 [25]. Gambar 3a menunjukkan spektrum energi kehilangan O 1 dari ZrO2 , dan EG , ZrO 2 adalah sekitar 5,56 eV yang dihitung dari perbedaan energi dengan mengekstrapolasi garis dasar tepi linier (535,95 eV) yang sesuai dengan energi tingkat inti ikatan Zr-O (530,39 eV). Celah pita MoS2 dalam pekerjaan ini adalah sekitar 1,2 eV. Oleh karena itu, nilai CBO untuk sampel tanpa CHF3 perlakuan sekitar 2,49 eV dan 1,74 eV untuk sampel dengan CHF3 perlakuan. Kemudian, struktur skema rekayasa pita untuk sampel tanpa dan dengan CHF3 pengobatan plasma diilustrasikan pada Gambar. 3b. Jelas, multilayer-MoS2 /ZrO2 sistem memiliki keselarasan tipe I, yang memfasilitasi elektron dan lubang terbatas di MoS2 . Sementara itu, ∆E . besar C dan ∆EV untuk MoS2 /ZrO2 antarmuka menyiratkan bahwa ZrO2 bisa menjadi dielektrik gerbang yang baik untuk n- atau p-channel multilayer MoS2 aplikasi FET berbasis dalam hal penekanan arus bocor gerbang. Selain itu, sampel dengan pengobatan plasma memiliki VBO yang lebih tinggi ∆EV (CBO lebih rendah ∆EC ) dibandingkan dengan sampel tanpa perlakuan plasma, yang lebih baik dalam penerapan FET saluran-p.
Zr 3d tingkat inti dan spektrum pita valensi untuk a telanjang ZrO2 oksida, b multilayer-MoS2 /ZrO2 sampel, dan c CHF3 plasma diperlakukan multilayer-MoS2 /ZrO2 contoh
a Spektrum kehilangan energi fotoelektron O 1 untuk ZrO2 oksida. b Struktur skema penyelarasan pita energi di MoS2 /ZrO2 antarmuka tanpa (atas) dan dengan (bawah) CHF3 pengobatan plasma. c Profil kedalaman SIMS (Si, Zr, dan F) untuk sampel dengan CHF3 pengobatan plasma
Perubahan band alignment pada multilayer MoS2 /ZrO2 antarmuka diyakini terkait erat dengan lapisan antarmuka kaya F yang diinduksi oleh CHF3 pengobatan plasma. Gambar 3c menampilkan hasil SIMS sampel perlakuan plasma untuk elemen Zr, F, dan Si, menampilkan puncak ion F yang jelas pada antarmuka. Sementara itu, beberapa ion F terdifusi ke dalam ZrO2 lapisan karena ukurannya yang kecil. Di MoS2 /ZrO2 antarmuka dengan CHF3 pengobatan plasma, pembesaran VBO (pengurangan CBO) terutama dikaitkan dengan peningkatan level inti Zr 3d yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, yang menunjukkan ion F memiliki interaksi yang kuat dengan atom Zr. Lalu efek CHF3 perlakuan pada sifat elektronik ZrO2 oksida diselidiki menggunakan Material Studio dikombinasikan dengan Cambridge Sequential Total Energy Package (CASTEP) berdasarkan teori fungsi kepadatan (DFT) [26]. Pendekatan gradien umum untuk pertukaran dan potensi korelasi seperti yang diusulkan oleh Perdew-Burk-Ernzerhof (PBE) [27] digunakan untuk menangani interaksi ion-elektron bersama dengan potensi gelombang tambahan proyektor (PAW) [28]. Energi cut-off gelombang bidang dipilih menjadi 750 eV, dan k-mesh Monkhorst–Pack dari 1 × 1 × 1 digunakan untuk sampel zona Brillouin dalam optimasi struktur dan perhitungan energi total [29]. Semua atom direlaksasikan ke posisi setimbangnya sampai energi total berubah selama optimasi akhirnya konvergen menjadi kurang dari 10
−6
eV/ atom, gaya dan tegangan pada masing-masing atom dikonvergensi menjadi 0,003 eV/nm dan 0,05 GPa, dan perpindahan dikonvergensi menjadi 1 × 10
−4
nm. Gambar 4a, b menunjukkan kepadatan total dan parsial status (DOS) untuk kedua MoS2 /ZrO2 sampel, di mana nol eV sesuai dengan tingkat Fermi. Jelas, ion F memiliki interaksi yang kuat dengan atom Zr, membuat bagian dari orbital d dari atom Zr yang diproyeksikan ke pita valensi bergerak ke bawah sekitar 0,76 eV dari 0,06 hingga 0,82 eV di bawah tingkat Fermi, yang sesuai dengan pembesaran offset pita kelambu ∆EV ~ 0,75 eV. Atom F cenderung menarik elektron karena elektronegativitasnya yang besar (4.0) dan menjadi sebagian bermuatan negatif dan selanjutnya membentuk dipol dengan atom Zr, yang pada akhirnya berkontribusi pada perubahan offset pita. Oleh karena itu, perubahan band di MoS2 /ZrO2 antarmuka yang diperkenalkan oleh CHF3 pengobatan plasma memberikan cara yang menjanjikan untuk menyesuaikan penyelarasan pita di heterojungsi, yang memfasilitasi desain perangkat terkait.
Total kepadatan status (TDOS) dan kerapatan parsial status (PDOS) yang dihitung untuk sampel tanpa CHF3 pengobatan (a ) dan dengan CHF3 pengobatan (b )
Kesimpulan
Dalam makalah ini, kami menjelajahi rekayasa pita energi di MoS multilayer2 /ZrO2 antarmuka dan menyelidiki efek CHF3 pengobatan menggunakan spektroskopi fotoelektron sinar-x. Hasilnya menunjukkan bahwa keselarasan tipe I terbentuk di MoS2 /ZrO2 antarmuka heterojunction dengan CBO dan VBO masing-masing sekitar 2,49 eV dan 1,87 eV. Sedangkan CHF3 perlakuan plasma meningkatkan VBO sekitar 0,75 ± 0,04 eV terutama karena peningkatan energi tingkat inti Zr 3d, yang konsisten dengan hasil perhitungan. Karya ini membuktikan potensi besar aplikasi ZrO tinggi-κ2 oksida dalam multilayer MoS2 -perangkat berbasis dan menyediakan cara yang memungkinkan untuk memodifikasi penyelarasan pita energi antarmuka.
