Pertumbuhan WSe₂ pada Suhu Rendah Terkontrol pada Grafen untuk Transistor p-Tipe Efisien
Abstrak
Nanolektronika materi dua dimensi (2D) dan aplikasi terkait menghadapi hambatan kritis berupa masalah kontak pada lapisan semikonduktor monolaier. Untuk mengatasi masalah ini, tantangan dasar adalah pembuatan selektif dan terkontrol transistor p-tipe atau ambipolar dengan rintangan Schottky rendah. Sebagian besar transistor p-tipe ditunjukkan menggunakan tungsten diselenida (WSe₂), namun proses pertumbuhan memerlukan suhu tinggi. Dalam penelitian ini, kami menggunakan penyangga bibit dan proses CVD tekanan rendah untuk meningkatkan pertumbuhan berurutan WSe₂ dengan suhu pertumbuhan yang diturunkan menjadi 800 °C, guna mengurangi fluktuasi komposisi dan meningkatkan kualitas antarmuka heterostruktur. Perilaku pertumbuhan WSe₂ berurutan di tepi grafen yang telah dipola dibahas. Dengan kondisi pertumbuhan yang dioptimalkan, antarmuka berkualitas tinggi dari WSe₂-grafen yang diraspuk secara lateral dicapai dan dikarakterisasi menggunakan mikroskop transmisi elektron (TEM). Pembuatan perangkat dan performa elektronik dari WSe₂-grafen yang diraspuk secara lateral juga disajikan.
Pendahuluan
Materi van der Waals monolaier, seperti grafen dan dalkogenida logam transisi (TMD), menunjukkan performa elektronik yang unggul dan tubuh secarik atom tanpa rambat bond di permukaan, yang menawarkan solusi potensial untuk batas fundamental materi saluran dalam hukum Moore, seperti efek saluran pendek dan berbagai tantangan dalam penskalan [1, 2]. Sepuluh tahun terakhir, nanolektronika materi dua dimensi (2D) dan aplikasi terkait sangat terhambat oleh masalah kontak kritis pada monolaier TMD semikonduktor karena efek peminingan level Fermi yang signifikan dari cacat yang terlibat dalam proses sintesis, pembuatan, dan integrasi [3,4,5,6]. Upaya yang signifikan, termasuk rekayasa fasa materi saluran (dari fasa 1H semikonduktor ke fasa 1T konduktif) [7], geometri kontak [8,9,10,11], dan rekayasa antarmuka dengan lapisan penangga grafen [12, 13], dilakukan untuk mencapai performa elektronik esensial dengan properti kontak yang ditingkatkan.
Baru-baru ini, integrasi grafen konduktif dan TMD semikonduktor untuk kontak yang ditingkatkan dan properti baru telah direalisasikan melalui pertumbuhan TMD langsung menggunakan deposisi uap kimia (CVD) di tepi grafen yang dipola buatan [14,15,16,17,18,19,20,21]. Heterosambungan antar materi 2D yang berbeda memungkinkan multifungsi esensial pada saluran monolaier untuk kapasitas dan integrasi yang lebih luas [22,23,24,25,26,27]. Rintang penggelindungan lemah dicapai pada heterosambungan MoS₂-grafen yang diraspuk secara lateral, mengaktifkan inverter dan gerbang NAND (negative-AND) untuk rangkaian logika lengkap berdasarkan materi 2D [16, 17]. Tujuan esensial selanjutnya adalah merealisasikan unit elektronik dasar inverter CMOS dan rangkaian logika lain dengan materi 2D yang dapat diskalakan. Menuju tujuan ini, tetap menjadi tantangan berkelanjutan dalam pembuatan selektif dan terkontrol transistor p-tipe atau ambipolar dengan rintangan Schottky rendah [28]. Sebagian besar transistor p-tipe ditunjukkan menggunakan tungsten diselenida (WSe₂), namun suhu tinggi diperlukan untuk pertumbuhan WSe₂ karena suhu penguapan precursor WO₃ yang lebih tinggi [29,30,31]. Sintesis suhu rendah dari pertumbuhan monolaier berurutan pada materi 2D yang telah dipola sebelumnya terutama dicapai dengan TMD berbasis Mo.
Di sini, kami menggunakan penyangga bibit dan proses CVD tekanan rendah untuk meningkatkan pertumbuhan WSe₂ berurutan dengan suhu pertumbuhan yang diturunkan untuk mengurangi fluktuasi komposisi dan kualitas antarmuka hetero yang tinggi [32, 33]. Perilaku pertumbuhan WSe₂ berurutan di tepi grafen yang telah dipola dibahas. Dengan kondisi pertumbuhan yang dioptimalkan, antarmuka berkualitas tinggi dari WSe₂-grafen yang diraspuk secara lateral dicapai dan dikaji dengan TEM. Pembuatan perangkat dan performa elektronik dari WSe₂-grafen yang diraspuk secara lateral disajikan.
Metode/Eksperimen
Sintesis WSe₂ dan Grafen
Film WSe₂ luas di sintesis pada substrat safir dan SiO₂/Si dalam tungku. Sebelum proses pertumbuhan, substrat dibersihkan dengan aseton, propanol isopropil, dan kemudian air selama 10 menit, masing-masing. Asam perilen-3,4,9,10-tetrakarbooksilat tetrapotassium (PTAS) dilapisi secara merata pada permukaan substrat sebagai penyangga bibit untuk meningkatkan aktivitas dan laju pertumbuhan monolaier. Precursor padat berkualitas tinggi WO₃ (Alfa Aesar, 99.9995% CAS#1313-27-5) dan Se (Sigma-Aldrich, 99.5% CAS#7704-34-9) ditempatkan dalam dua kruki keramik, dan substrat ditemajuk dengan wajah ke atas serta di samping bubuk WO₃. Sampel WSe₂ di sintesis selama 800~900 °C untuk 10 menit dengan laju pemanasan 30 °C min⁻¹ dan dalam aliran campuran N₂/H₂ pada 1.2 Torr. Grafen di sintesis pada folium Cu pada 1000 °C untuk 10 menit dengan laju pemanasan 30 °C min⁻¹ dan dalam aliran campuran CH₄/H₂ pada 4 Torr. Grafen yang dipola dilakukan melalui litografi sinar elektron dan gravur plasma oksigen.
Pembuatan Perangkat
Perangkat grafenn-WSe₂ dibuat tanpa transfer sampel. Proses litografi sinar elektron dilakukan untuk mendefinisikan elektroda pada lapisan grafen yang telah dipola. Lapisan logam tipis Pd (40 nm) diendapkan menggunakan evaporasi sinar elektron dan proses lift-off berikutnya dilakukan dalam aseton. Lapisan pelindung dan dielektrik gerbang perangkat dibuat menggunakan deposisi lapis atom (ALD) dari film Al₂O₃ tipis (50 nm). Lapisan logam tipis Pd (40 nm) diendapkan pada lapisan dielektrik untuk digunakan sebagai elektroda gerbang. Untuk meningkatkan performa elektronik, perangkat dianil pada ~120 °C selama ~12 jam dalam lingkungan vakum ~10⁻⁵ Torr.
Karakterisasi
Spektral Raman dan fotoluminesensi (PL) diperoleh menggunakan spektroskopi Raman konfokal komersial (Micro Raman/PL/TR-PL Spectrometer, Ramaker, Protrustech). Panjang gelombang dan ukuran spot laser adalah 532 nm dan 1–2 μm, masing-masing. Grating typikal digunakan dengan 300 g/mm untuk PL (resolusi rendah) untuk mendapatkan spektrum lebar dan (resolusi tinggi) 1800 g/mm untuk sinyal Raman untuk mendapatkan informasi detail materi. Sampel TEM disiapkan menggunakan teknik transfer PMMA standar untuk meletakkan nanosheet grafenn-WSe₂ pada grid Cu berlubang karbon. Citra TEM dilakukan pada tegangan percepatan 80 kV (STEM dikoreksi Cs, JEOL, JEM-ARM200F). Pengukuran listrik dilakukan menggunakan Analyzer Perangkat Semikonduktor Agilent B1500a.
Hasil dan Pembahasan
Untuk mengontrol sintesis heterosambungan lateral grafenn dan WSe₂, pertumbuhan berurutan monolaier TMD di tepi grafen ditunjukkan pada Gambar 1a. Monolaier grafen pertama kali di sintesis pada folium tembaga dan kemudian ditransfer ke substrat safir segar menggunakan metode transfer bantu PMMA standar. Proses litografi sinar elektron konvensional dan gravur plasma O₂ dilakukan untuk menentukan wilayah untuk pertumbuhan berurutan monolaier WSe₂. Sintesis langsung monolaier WSe₂ di tepi grafen yang telah dipola pada substrat safir dicapai dengan CVD tekanan rendah dengan PTAS sebagai penyangga bibit. Informasi lebih rinci tentang sintesis dijelaskan pada bagian "Metode/Eksperimen". Pada Gambar 1b, pemetaan Raman pita G’ dari WSe₂-grafen yang diraspuk secara lateral menunjukkan kontras seragam, yang mengonfirmasi kerusakan yang diturunkan pada grafen yang telah dipola sebelumnya setelah sintesis CVD berurutan pertumbuhan WSe₂. Pada Gambar 1c, citra AFM dari pertumbuhan yang dipola WSe₂-grafen menunjukkan morfologi permukaan yang halus dari heterosambungan monolaier. Gambar 1d menyajikan spektral Raman mode E₂g (WSe₂—biru) dan pita G’ (grafen—hijau) sesuai dengan label pada Gambar 1c, yang konsisten dengan studi yang dilaporkan [34]. Untuk mengilustrasikan keseragaman heterosambungan yang baru tumbuh, pemetaan Raman dari WSe₂-grafen yang telah dipola ditunjukkan pada Gambar 1 e dan f, masing-masing. Kontras seragam dari intensitas Raman pada citra pemetaan secara jelas diamati, menunjukkan sintesis yang dapat dikontrol pada pertumbuhan heterogen monolaier WSe₂ berkualitas tinggi di tepi grafen yang telah dipola sebelumnya.
Pertumbuhan WSe₂ yang dikontrol pada grafen yang telah dipola. a Skematik sintesis WSe₂-grafen yang diraspuk secara lateral. b Pemetaan Raman untuk pita G’ grafen dan c citra AFM dari pertumbuhan yang dipola WSe₂-grafen. d Spektral Raman mode E₂g (WSe₂—biru) dan pita G’ (grafen—hijau) pada c. Pemetaan Raman e mode E₂g WSe₂ dan f pita G’ grafen pada heterosambungan monolaier
Untuk mengklarifikasi perilaku pertumbuhan grafenn-TMD yang diraspuk, sintesis WSe₂ pada grafen yang telah dipola dilakukan dengan dan tanpa penyangga. Gambar 2 a dan b menunjukkan pertumbuhan WSe₂ pada suhu yang berbeda tanpa PTAS sebagai penyangga bibit. Di atas 850 °C, pertumbuhan berurutan WSe₂ muncul di tepi grafen. Suhu pertumbuhan tinggi untuk pertumbuhan WSe₂ diperlukan karena reaktan gas yang terbatas untuk precursor padat WO₃, sebagaimana dijelaskan dalam paper sebelumnya [29,30,31]. Batas yang halus secara makroskopik dari WSe₂ yang baru tumbuh mengimplyasikan distribusi acak dan ukuran butiran yang kecil. Sebaliknya, pertumbuhan berurutan WSe₂ pada suhu yang berbeda dengan PTAS sebagai penyangga bibit disajikan pada Gambar 2 c dan d. Penyangga PTAS secara signifikan menurunkan suhu pertumbuhan untuk pertumbuhan berurutan WSe₂ yang sempurna di tepi grafen dengan ukuran domain yang lebih besar, yang mirip dengan perilaku pertumbuhan pada heterosambungan TMD-TMD [22]. Setelah pertumbuhan berurutan WSe₂ pada 800 °C, pengamatan kontras seragam dan intensitas lebih tinggi pada pemetaan Raman pita G’ (grafen) menunjukkan kerusakan yang diturunkan pada grafen karena pertumbuhan suhu rendah. Dengan peningkatan suhu, film WSe₂ kontinu mengisi wilayah yang telah dipola dengan kontak ideal pada tepi grafen yang telah dipola (Gambar 2d). Perhatikan bahwa ukuran domain yang lebih besar dengan bentuk segitiga yang jelas dari monolaier WSe₂ yang diraspuk pada tepi grafen (Gambar 2c), menunjukkan kualitas yang lebih baik dari pertumbuhan berurutan WSe₂. Dengan kondisi pertumbuhan yang dioptimalkan pada penyangga bibit dan suhu, monolaier WSe₂ berkualitas tinggi yang dapat diskalakan direalisasikan oleh sistem LPCVD sebagaimana disajikan dalam informasi pendukung (Berkas Tambahan 1: Gambar S1). Hal yang layak diperhatikan adalah sintesis TMD berurutan di tepi grafen yang telah dipola diamati secara universal pada heterosambungan TMD dan grafen yang berbeda sebagaimana ditunjukkan dalam informasi pendukung (Berkas Tambahan 1: Gambar S2).
Pertumbuhan WSe₂ yang bergantung pada suhu dengan penyangga bibit: Citra optik, citra pemetaan Raman mode A₁g (WSe₂) dan pita G’ (grafen) dari sampel yang di sintesis pada suhu yang berbeda a, b tanpa dan c, d dengan PTAS sebagai penyangga bibit
Untuk menyelidiki lebih lanjut heterosambungan WSe₂-grafen, pengukuran mikroskop transmisi elektron resolusi tinggi (HRTEM) dilakukan. Pada Gambar 3a, citra TEM area terpilih menunjukkan bahwa wilayah tumpangan antara garis putus hitam (ujung grafen) dan hijau (ujung TMD) terdiri dari grafen yang telah dipola sebelumnya dan monolaier WSe₂ yang tumbuh berurutan. Lebar wilayah tumpangan sekitar 500 nm. Citra TEM seperti amorf untuk jaringan grafen diamati sebagaimana diharapkan karena distorsi yang tidak terhindarkan pada grafen dengan sinar elektron berenergi tinggi. Gambar 3 c dan d menyajikan pengamatan yang dihitung dan eksperimental pada citra HRTEM untuk pemahaman yang lebih baik tentang pertumbuhan TMD berurutan pada heterosambungan. Pengamatan jaringan heksagonal dan sel satuan grafen (~2.5 Å) dan WSe₂ (~3.3 Å) konsisten dengan parameter jaringan massa grafen (2.46 Å) dan WSe₂ (3.28 Å). Karakterisasi TEM menunjukkan bahwa pertumbuhan berurutan WSe₂ dimulai di tepi grafen yang telah dipola karena densitas cacat yang lebih tinggi di tepi grafen meningkatkan pertumbuhan pulau vertikal dengan lebih banyak lokasi inti. Ketidakcocokan jaringan besar lebih dari 20% antara jaringan grafen dan TMD mungkin bertanggung jawab terhadap antarmuka yang tidak teratur dengan densitas cacat yang lebih tinggi dan pertumbuhan TMD vertikal dan lateral yang digabungkan pada heterosambungan. Selain itu, insiden pada Gambar 3d menunjukkan difraktogram yang sesuai dari transformasi Fourier cepat (FFT) dari citra atom ruang nyata pada wilayah tumpangan dan wilayah grafen. Hanya satu set pola difraksi yang diamati pada wilayah grafen (kiri), sementara dua set pola difraksi yang diputar dengan sudut twist 0.35° diamati pada wilayah tumpangan (kanan). Sudut twist yang sangat diturunkan antara jaringan grafen dan WSe₂ menyiratkan bahwa pertumbuhan berurutan WSe₂ mendukung penumpukan koheren di tepi grafen.
Karakterisasi TEM heterosambungan grafenn-WSe₂ yang diraspuk secara lateral. a Citra pengesanan rendah, b ilustrasi skematik, c citra HRTEM simulasi, dan d diamati dari heterosambungan grafenn-WSe₂. Insiden kanan menunjukkan citra FFT dari wilayah tumpangan WSe₂ yang tertumpuk pada grafen, sementara insiden kiri menampilkan citra grafen. Pemetaan Raman e mode E₂g WSe₂ dan f pita G’ grafen pada heterosambungan monolaier
Untuk menunjukkan properti efek medan dari WSe₂ yang baru tumbuh yang diraspuk di tepi grafenn yang telah dipola perangkat hetero, perangkat dibuat tanpa transfer sampel. Proses pembuatan yang disesuaikan berdasarkan fungsionalitas permukaan untuk litografi sinar elektron pada isolator dikembangkan. Performa transportasi elektronik perangkat grafenn-WSe₂ yang diraspuk dikaji dengan menghubungkan elektroda logam (Pd 40 nm) dengan grafenn yang telah dipola dan menyetor Al₂O₃ (50 nm) sebagai dielektrik gerbang. Gambar 4 a dan b menunjukkan ilustrasi skematik perangkat heterosambungan gerbang atas dan citra optik dari perangkat yang baru dibuat, masing-masing. Pengukuran transportasi elektronik dua terminal dilakukan menggunakan stasiun sond komersial (Lake Shore Cryotronics PS-100 dengan Agilent B1500a) dalam vakum pada suhu ruang. Kurva transfer perangkat menunjukkan perilaku transportasi p-tipe dengan rasio on/off (~10⁴) dan arus on tinggi sekitar beberapa ratus nA (Gambar 4c). Mobilitas efek medan perangkat di wilayah linier sekitar 0.07 cm²/Vs pada Vd = 2 V, yang dievaluasi menggunakan persamaan berikut:
dimana Cox = ε0εr/d adalah kapasitansi oksida dan L (9 μm) dan W (24 μm) adalah panjang saluran dan lebar saluran, masing-masing. Selain itu, kurva output perangkat pada berbagai tegangan gerbang ditunjukkan pada Gambar 4d. Kurva I-V linier mengonfirmasi kontak yang baik antara lapisan grafen dan lapisan WSe₂. Performa elektronik yang ditingkatkan dari heterosambungan monolaier TMD-grafen yang diraspuk dicapai karena properti kontak yang ditingkatkan, yang menyiratkan sintesis untuk pertumbuhan TMD berurutan di tepi grafenn yang dipola buatan melangkah langkah signifikan menuju nanoelektronika 2D.
Performa elektronik WSe₂ dengan kontak grafen yang diraspuk. a Skematik, b citra optik, c kurva transfer, dan d kurva output dari perangkat heterosambungan monolaier gerbang atas dari grafenn-WSe₂ yang diraspuk
Kesimpulan
Pertumbuhan berurutan WSe₂ di tepi grafenn yang telah dipola dicapai pada safir dengan menggunakan LPCVD bantu penyangga. Penyangga PTAS secara signifikan menurunkan suhu pertumbuhan untuk pertumbuhan berurutan WSe₂ yang ideal di tepi grafen dengan ukuran domain yang lebih besar.
Karakterisasi TEM menunjukkan bahwa pertumbuhan berurutan WSe₂ dimulai di tepi grafen yang telah dipola sebelumnya. Sudut twist yang sangat diturunkan antara jaringan grafen dan WSe₂ menyiratkan bahwa pertumbuhan berurutan WSe₂ mendukung penumpukan koheren di tepi grafen. Performa elektronik yang ditingkatkan dari heterosambungan monolaier TMD-grafen yang diraspuk dicapai karena properti kontak yang ditingkatkan.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini termasuk dalam artikel yang dipublikasikan dan berkas informasi pendukungnya.
