Préparation de grande surface verticales Crystal hétéro-structures 2D par l’intermédiaire de la sulfuration de Films de métaux de Transition pour la Fabrication de dispositifs

Résumé

Par le biais de la sulfuration de métaux de transition antérieur, Hétéro-structures en cristal 2D de grande surface et verticale peuvent être fabriqués. Le film transfert et les procédures de fabrication de dispositif sont également illustrés dans ce rapport.

Résumé

Nous ont démontré que par le biais de la sulfuration de métaux de transition des films tels que le molybdène (Mo) et du tungstène (W), grande surface et uniforme des métaux de transition multiples (TMDs) MoS₂ et WS₂ peuvent être préparés sur des substrats de saphir. En contrôlant les épaisseurs de film métallique, contrôlabilité numéro bonne couche, à une seule couche de PTM, peut être obtenue à l’aide de cette technique de croissance. Basé sur les résultats obtenus par le film de Mo sulfurisé sous la condition déficiente de soufre, il existe deux mécanismes de croissance de₂ MoS b planaire et (b) la ségrégation oxyde Mo observée au cours de la procédure de sulfuration. Lorsque le soufre de fond est suffisant, la croissance TMD planaire est le mécanisme de croissance dominante, qui se traduira par un film de₂ MoS uniform après l’intervention de sulfuration. Si le soufre de fond est déficient, ségrégation oxyde Mo sera le mécanisme de croissance dominante à l’étape initiale de la procédure de sulfuration. Dans ce cas, l’échantillon avec des grappes d’oxyde Mo recouverts de couches peu MoS₂ sera obtenu. Une fois séquentiel Mo dépôts/sulfuration et les procédures de dépôt/sulfuration W, vertical WS₂/MoS₂ hétéro-structures établies à l’aide de cette technique de croissance. Raman pics correspondant aux WS₂ et MoS₂, respectivement et le nombre de couche identique de l’hétéro-structure avec la somme des différentes matières 2D ont confirmé la mise en place réussie du cristal 2D vertical hétéro-structure. Après le transfert de la WS₂film₂ /MoS sur un substrat de /Si SiO₂avec électrodes pré motifs source/drain, un transistor à grille inférieure est fabriqué. En comparaison avec le transistor avec seulement les canaux de₂ MoS, les courants plus élevés de la vidange de l’appareil avec la WS₂/MoS₂ hétéro-structure ont qu’exposées avec l’introduction de cristal 2D hétéro-structures, dispositif supérieur efficacité peut être obtenue. Les résultats ont révélé le potentiel de cette technique de croissance pour l’application pratique des cristaux 2D.

Introduction

Une des approches plus courantes pour obtenir les films cristal 2D utilise une exfoliation mécanique de gros matériaux^1,2,3,4,5. Bien que les films cristal 2D avec cristallin de haut qualité peuvent être facilement obtenus à l’aide de cette méthode, scalable 2D crystal films ne sont pas disponibles par le biais de cette approche, ce qui est désavantageuse pour les applications pratiques. Dans des publications antérieures, il a été démontré qu’en utilisant le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), uniforme et de grande surface cristal 2D films peuvent être préparé^6,7,8,9. La croissance directe du graphène sur substrats de saphir et couche-nombre-contrôlable MoS₂ films en répétant le même cycle de croissance sont également démontrée à l’aide de la CVD croissance technique^10,11. Dans une publication récente, dans le plan WSe₂/MoS₂ hétéro-structure flocons sont également fabriqués en utilisant la CVD croissance technique¹². Bien que la technique de la croissance de CVD est prometteuse dans la fourniture de films cristal 2D évolutive, l’inconvénient majeur de cette technique de croissance est que différents précurseurs doivent être situé pour différents cristaux 2D. Les conditions de croissance varient également entre les différents cristaux 2D. Dans ce cas, les processus de croissance vont devenir plus compliqués quand la demande se développe pour les hétéro-structures cristallines 2D.

Par rapport à la technique de la croissance de CVD, la sulfuration de métaux de transition antérieur films a fourni une approche similaire mais beaucoup plus simple de la croissance pour TMDs^13,14. Étant donné que le procédé de croissance implique seulement dépôt métallique et la procédure suivante de sulfuration, c’est possible de faire pousser différentes TMDs à travers les même processus de croissance. En revanche, la contrôlabilité numéro de couche des cristaux 2D peut également être atteint en changeant les épaisseurs de métal de transition antérieur. Dans ce cas, contrôle numéro optimisation et couche de croissance vers le bas pour une seule couche sont nécessaires pour différentes TMDs. comprendre les mécanismes de croissance est également très important pour la mise en place de TMD hétéro-structures complexes à l’aide de cette méthode.

Dans cette étude, le MoS₂ et le WS₂ films sont préparés selon des procédures similaires de croissance des dépôts métalliques suivie par la procédure de sulfuration. Avec les résultats obtenus par la sulfuration de films Mo dans les conditions suffisantes et déficient de soufre, les deux mécanismes de croissance sont observées au cours de la procédure de sulfuration¹⁵. En vertu de la condition suffisante de soufre, un film de₂ MoS uniform et couche-nombre-contrôlable peut être obtenu après la procédure de sulfuration. Lorsque l’échantillon est sulfurisé sous la condition de soufre déficient, le soufre de fond n’est pas suffisant pour former un film de₂ MoS complète telle que la ségrégation de l’oxyde de Mo et coalescence sera le mécanisme dominant dès les premiers stades de croissance. Un échantillon avec des grappes d’oxyde Mo couverts par quelques couches de MoS₂ sera obtenu après la procédure de sulfuration¹⁵. Par le biais de metallisation séquentielle et procédures suivantes de sulfuration, WS₂/MoS₂ hétéro-structures verticales avec contrôlabilité numéro de couche vers le bas pour une seule couche peut être préparé^15,16. En utilisant cette technique, un échantillon est prélevé sur un même substrat de saphir avec quatre régions : (I) substrat de saphir, (II) standalone MoS₂, (III) WS₂/MoS₂ hétéro-structure et (IV) standalone WS₂^{17 vierges} . Les résultats démontrent que la technique de croissance est avantageuse pour la mise en place de cristal 2D vertical hétéro-structure et est capable d’une croissance sélective. Les performances du dispositif amélioré de cristal 2D hétéro-structures marquera la première étape vers des applications pratiques pour les cristaux 2D.

Protocole

1. la croissance de chaque matériel 2D (MoS₂ et WS₂)

1. Dépôts de métaux de transition utilisant un RF sputtering système
   1. Un substrat de² saphir propre 2 x 2 cm est placé sur le porte-échantillon avec le côté brillant vers les cibles du système de pulvérisation pour la déposition de métaux de transition. Substrats de saphir sont choisis en raison de la stabilité chimique de sapphire à hautes températures et surfaces atomique à plat.
   2. Pompe vers le bas de la chambre de pulvérisation de 3 x 10^-6 torr successivement à l’aide d’une pompe mécanique, suivie d’une pompe à diffusion.
   3. Injecter le gaz Ar dans le système de pulvérisation et de maintenir le flux de gaz à 40 mL/min à l’aide d’un contrôleur de débit massique (MFC).
   4. Maintenir la pression dans la chambre à 5 x 10^-2 torr à l’aide d’une vanne de régulation de pression manuelle et enflammer le plasma Ar. Maintenir la puissance de sortie à 40 w.
   5. Diminuer la pression dans la chambre à 5 x 10^-3 torr en utilisant une roue manuelle Angle soupape.
   6. Ouvrir l’obturateur entre le substrat de saphir et de la cible métallique de 2 pouces et commencer la METALLISATION manuellement. Au cours de la procédure de dépôt, maintenir la puissance ionique à 40 W pour les Mo et W. La pression de fond est maintenue à 5 × 10^-3 torr avec 40 mL/min débit de gaz Ar.
   7. Contrôler la durée de pulvérisation pour déposer des films de métaux de transition avec différentes épaisseurs. En raison de l’épaisseur du métal mince, pulvérisation fois offrira mieux maîtriser l’épaisseur du film que les lectures de la résonateur à quartz.
      Remarque : Le nombre de couche de MoS₂ et WS₂ cultivés à l’aide de la méthode décrite dans le manuscrit actuel est proportionnel aux fois PULVERISATION des films Mo et W prédéposés. La détermination de pulvérisation fois afin d’obtenir des MoS₂ et WS₂ avec numéros de couche requise est basée sur les images de microscopie électronique (HRTEM) transversale de transmission à haute résolution pour des échantillons à différents moments de pulvérisation. Toutefois, si les films prédéposés de Mo et W sont trop épais, ségrégation oxyde Mo et W deviendra le mécanisme de croissance dominante, au lieu de planaires MoS₂ et WS₂ film croissance. Par conséquent, la proportionnalité des numéros de couche avec son temps de pulvérisation est limitée à quelques couches TMDs. À la condition de croissance de MoS₂ dans le manuscrit actuel, le nombre de couche sera proportionnel aux fois pulvérisation quand le film de₂ MoS est moins de 10 couches. Le temps de pulvérisation est 30 s pour la croissance des 5 couches MoS₂.
2. La sulfuration du film métal de transition
   1. Placer les substrats de saphir avec des films de métaux de transition antérieur au centre d’un four chaud de sulfuration.
   2. Placez la poudre de soufre (S) en amont de l’écoulement de gaz, 2 cm de distance de la zone de chauffage du four. Dans cette position, la température d’évaporation pour la poudre de S sera 120 ° C lorsque la température du substrat augmente à 800 ° C. Contrôler avec précision le poids de poudre S pour différents métaux de transition de sulfuration. Dans le travail, le poids de poudre de S est de 1,5 g pour Mo et 1,0 g pour W.
      Remarque : Nous déterminons les quantités de poudre de soufre pour la préparation de MoS₂ puis WS₂ films sur les résultats obtenus pour chaque matériel préparé à l’aide de différentes quantités de poudre de soufre.
   3. Maintenir la pression du four à 0,7 torr. Au cours de la procédure de sulfuration, 130 mL/min gaz Ar a été utilisé comme gaz vecteur.
   4. Rampe de la température du four à 800 ° C en 40 min depuis la température ambiante avec un taux de rampe de température de 20 ° C/min. maintenir la température à 800 ° C jusqu'à ce que la poudre de soufre est complètement évaporée. Après cela, la puissance de chauffage est éteint pour abaisser la température du four. Il faut environ 30 à 40 min pour le four à température ambiante de 800 ° C.
3. Effectuer des mesures de spectre Raman en utilisant un 488 nm laser^15,16,17. Obtenir les images en coupe transversale HRTEM pour apurer le calque des cristaux 2D^15,16,17.

2. la croissance de la WS₂/MoS₂ seul hétéro-structure verticale

Remarque : Cette section est utilisée pour créer une seule hétéro-structure consistant en une couche de glace saphir avec 5 couches de MoS₂ et 4 couches de WS₂.

1. Suivez la même procédure que l’étape 1.1. Déposer le film Mo sur le substrat de saphir à l’aide de la RF sputtering système avec un 30 s temps de pulvérisation cathodique.
2. Sulfurize le film Mo suivant les mêmes procédures de sulfuration comme étape 1.2 pour la croissance de MoS₂. Cinq couches de MoS₂ seront obtenus après l’intervention de sulfuration.
3. Suivez les mêmes procédures que l’étape 1.1. Déposer le film W sur le MoS2/saphir substrat à l’aide de la RF sputtering système avec un 30 s temps de pulvérisation cathodique.
4. Sulfurize le film W suivant la même procédure de sulfuration de l’étape 1.2 pour la croissance de WS₂. Quatre couches de WS₂ pourra être obtenus sur le dessus de la MoS₂ après l’intervention de sulfuration.
   Remarque : La procédure de dépôt et sulfuration métallique est le même que le matériel individuel. Les temps de pulvérisation des films Mo et W sont déterminés selon le nombre de couches requises de MoS₂ et WS₂ couches. Double - ou multi-hetero-structures peut être établie en répétant la même procédure de croissance. La séquence de la CMT en l’hétéro-structures verticales peut également être modifiée selon la structure de l’échantillon.

3. le transfert de Film et les procédures de Fabrication de dispositif

1. Le film transfert procédure des films cristal 2D
   1. Essorage manteau trois gouttes de poly(methyl methacrylate) (PMMA) sur le film TMD pour couvrir tout le film à température ambiante. Les vitesses de rotation de deux étages de la casserole sont 500 tr/min pendant 10 s et 800 tr/min pendant 10 s. Après cuisson à 120 ° C pendant 5 min, l’épaisseur PMMA est autour de 3 µm.
   2. Placer l’échantillon PMMA/TMD/saphir dans une boîte de Pétri qui est rempli avec de l’eau désionisée (DI).
   3. Décoller un coin du film PMMA/TMD du saphir substrat à l’aide de la pince à épiler dans l’eau distillée.
   4. Faire chauffer 250 mL de solution aqueuse de KOH M (boulettes KOH 14 g mélangés avec 250 mL d’eau) dans un bécher de 100 ° c. Déplacer l’échantillon dans la solution aqueuse de KOH chauffée et continuer à éplucher le film PMMA/PTM jusqu'à ce que le film est complètement décollée du substrat. Peeling nécessite environ 1 min pour terminer.
   5. Utiliser un substrat de saphir distinct pour ramasser le film PMMA/PTM de la solution KOH. Déplacer le film dans un bécher de 250 mL rempli d’eau DI à laver les résidus KOH sur le film. À ce stade, l’adhérence entre le film PMMA/TMD et le substrat de saphir pour ramasser le film est faible. Par conséquent, le film attachera hors du substrat de saphir après immersion dans l’eau de DI.
   6. Répétez les étapes 3.1.4 - 3.1.5 trois fois à l’aide de nouvelles sources d’eau DI pour s’assurer que la majeure partie du résidu KOH est supprimée du film.
      Remarque : L’adhérence entre chaque couche TMD est beaucoup plus forte que TMDs avec le substrat de saphir. Par conséquent, la même procédure de transfert peut être applique à individuels MoS₂/WS₂ matériaux ou leurs hétéro-structures. Les films cristal 2D vont être complètement décortiquées du substrat, qui est semblable à l’épluchage de la MoS₂/graphene hétéro-structure discutée dans une précédente publication¹⁸. Selon le but de transférer le film, le substrat mentionné dans cette étape peut être un substrat de saphir ou un substrat /Si SiO₂électrodes antérieur, tel que décrit à l’étape 3.2. Autres substrats peuvent également être utilisés à cet effet.
2. La fabrication de transistors cristal 2D.
   1. Photolithographie standard permet de définir des modèles d’électrodes sur SiO₂/Si substrats^15,16,17. Les électrodes source et de drain de 10 nm titane (Ti) ou 100 or nm (Au) sont fabriqués sur un substrat de Si 300 nm SiO₂/p-type.
   2. Immerger la SiO₂/Si substrat avec des motifs électrodes source/drain dans le bécher rempli d’eau DI et fixez sur le côté TMD du film PMMA/PTM, tel qu’établi à l’étape 3.1.
   3. Cuire au four de l’échantillon à 100 ° C pendant 3 min, après que le film est attaché au substrat /Si SiO₂, pour enlever les résidus de l’eau.
   4. Appliquez trois gouttes de PMMA sur l’échantillon avec le film PMMA/TMD pour couvrir toute la surface et rendre le film plus fermement attaché au substrat.
   5. Placer l’échantillon dans un boîtier électronique sec pendant au moins 8 h avant de passer à l’étape suivante.
   6. Remplir deux béchers différents 250 mL avec de l’acétone. Immergez l’échantillon fixé avec le film PMMA/PTM successivement dans les deux béchers différents remplis d’acétone pour 50 et 10 min, respectivement, pour enlever la couche supérieure de PMMA.
   7. Définir le canal du transistor à l’aide de photo standard-lithographie et gravure ionique réactive^15,16,17. Porte arrière MoS₂ et WS₂hétéro-structure /MoS₂ transistors sont fabriquées^15,16,17. La longueur de la chaîne et la largeur des dispositifs sont respectivement 5 et 150 μm.
   8. Utiliser un instrument de sourcemeter système bicanal pour mesurer les caractéristiques courant-tension des transistors à^15,16,17.

Résultats

Le spectre Raman et les images en coupe transversale HRTEM individuels MoS₂ et WS₂ fabriqué en utilisant la sulfuration de métaux de transition antérieur sont indiquées dans la Figure 1 a-b¹⁷, respectivement. On observe deux pics caractéristiques de Raman pour MoS₂ et WS₂, qui correspondent dans le plan et...

Discussion

Par rapport aux matériaux semi-conducteurs classiques comme Si et GaAs, l’avantage des matériaux 2D pour les applications smart device réside dans la possibilité de fabrication de dispositifs avec des corps très minces jusqu'à plusieurs couches atomiques. Lorsque l’industrie Si avance dans le < 10 nœuds de technologie nm, le grand allongement de nageoire Si FET fera l’architecture du dispositif inadapté pour des applications pratiques. Ainsi, les matériaux 2D ont vu le jour en raison de leur potentiel pour...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
RF sputtering system	Kao Duen Technology	N/A
Furnace for sulfurization	Creating Nano Technologies	N/A
Polymethyl methacrylate (PMMA)	Microchem	8110788	Flammable
KOH, > 85%	Sigma-Aldrich	30603
Acetone, 99.5%	Echo Chemical	CMOS110
Sulfur (S), 99.5%	Sigma-Aldrich	13803
Molybdenum (Mo), 99.95%	Summit-Tech	N/A
Tungsten (W), 99.95%	Summit-Tech	N/A
C-plane Sapphire substrate	Summit-Tech	X171999	(0001) ± 0.2 ° one side polished
300 nm SiO2/Si substrate	Summit-Tech	2YCDDM	P-type Si substrate, resistivity: 1-10 Ω · cm.
Sample holder (sputtering system)	Kao Duen Technology	N/A	Ceramic material
Mechanical pump (sputtering system)	Ulvac	D-330DK
Diffusion pump (sputtering system)	Ulvac	ULK-06A
Mass flow controller	Brooks	5850E	The maximum Argon flow is 400 mL/min
Manual wheel Angle poppet valve	King Lai	N/A	Vacuum range from 2500 ~1 × 10-8 torr
Raman measurement system	Horiba	Jobin Yvon LabRAM HR800
Transmission electron microscopy	Fei	Tecnai G2 F20
Petri dish	Kwo Yi	N/A
Tweezer	Venus	2A
Digital dry cabinet	Jwo Ruey Technical	DRY-60
Dual-channel system sourcemeter	Keithley	2636B