Внутренняя электрическая характеризация двумерных дихалькогенидов переходных металлов с помощью сканирующей зондовой микроскопии

СЕН202021

В обычном планарном кремниевом полевом транзисторе (FET) управляемость затвором становится слабее, когда его поперечный размер становится меньше, чем толщина транзистора, что приводит к неблагоприятным эффектам короткого канала, включая ток утечки, насыщение подвижности носителей в канале, канальная деградация горячих носителей и зависящий от времени пробой диэлектрика.

Следовательно, необходимо уменьшить толщину корпуса транзистора, чтобы обеспечить эффективное электростатическое управление затвором. Из-за атомной толщины и свисающей поверхности без связей двумерных (2D) материалов теоретические исследования показали, что, в частности, двумерные дихалькогениды переходных металлов (TMD) могут превосходить кремний в качестве материала канала, обеспечивать масштабирование на атомном уровне, отличное управление электростатическим затвором, снизить энергопотребление в отключенном состоянии и еще больше расширить закон Мура [1-6].

Подходящие методы для характеристики внутренних физических и электрических свойств 2D-материалов после осаждения являются ключевым звеном между качеством осажденных 2D-материалов и характеристиками электронных устройств на основе этих материалов. Эта связь может помочь нам лучше понять, контролировать и улучшить производительность устройств на основе 2D-материалов. Однако методы анализа внутренних электрических свойств осажденных 2D-материалов в наномасштабе без каких-либо процессов переноса и формирования рисунка ограничены.

В данной статье описано, как сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) используется для исследования внутренних электрических свойств осажденных 2D TMD. Проводящий атомно-силовой микроскоп (C-AFM) работает непосредственно на поверхности выращенных 2D-материалов без какого-либо рисунка. C-AFM позволяет соотносить электропроводность выращенных 2D-материалов с их топографией, тем самым связывая электрические свойства 2D-материалов с их физическими свойствами, такими как толщина слоя и т.п. При всем этом C-AFM дает исчерпывающую информацию об осажденных 2D-материалах и помогает оценить влияние их внутренних свойств на наноэлектронику на основе 2D-материалов.

Эксперимент

Внутренние электрические свойства выращенных слоев MoS₂ и WS₂ на сапфире оценивались методом C-AFM с использованием  кремниевых зондов, покрытых Pt/Ir (жесткость пружины k ≈ 3 Н/м, резонансная частота f₀ ≈ 75 кГц, тип PPP-EFM) на атомно-силовом микроскопе NX-Hivac компании Park Systems с высоким вакуумом (≈ 10^-5 Торр). Среда с высоким вакуумом помогает уменьшить слой воды, который всегда присутствует на образце [4, 6]. Напряжение смещения во время измерения методом C-AFM прикладывалось к предметному столику, и результирующий ток измерялся с помощью линейного усилителя тока. Приложенное напряжение смещения для сбора всех токовых карт в режиме C-AFM составляло 1 В. Электрический контакт обеспечивался нанесением серебряной краски на верхнюю и боковую части образцов.

Результаты

Слой MoS₂ после осаждения на осевом срезе сапфира демонстрирует неоднородную проводимость по всей поверхности на картах тока в режиме C-AFM (рис. 1b), хотя топографические карты на рис. 1a показывают полностью сросшийся монослой MoS² с ≈37% поверхностных кристаллов поверх него (названный как 1.3 ML). Путем введения в качестве подложки сапфира, срезанного вне оси на 1°, электропроводность слоя MoS₂ становится более однородной в соответствии с их более однородной структурой поверхности (рис. 1c и d). В целом, доля в ≈83% монослоя MoS₂ на сапфире с внеосевым срезом в 1° обладает более высокой электропроводностью, по сравнению с только 51% при использовании сапфира с осевым срезом [7]. Области с более низкой проводимостью отмечены фиолетовым цветом на рис. 1b, d с пороговым током ≈ 0.3 мкА. Таким образом, плотность плохо проводящих областей снижается за счет введения сапфира с внеосевым срезом в 1° (с 49% до 17% на рис. 1b, d).

Рис. 1. (a, c): Топография 1.3 ML MoS₂, выращенного на сапфире с осевым срезом и с внеосевым срезом в 1°, соответственно. (b, d): Одновременно полученные карты тока в режиме C-AFM для (a, c), соответственно. Неоднородные и плохо проводящие области в первом монослое MoS₂ выделены фиолетовым цветом в соответствии с токовым пороговым значением (≈ 0.3 мкА). Изображения предоставляются с разрешения Американского химического сообщества [7]. Все права защищены ©.

Эту плотность можно дополнительно снизить до ≈6,5%, пропустив процесс предварительной обработки сапфировых пластин (рис. 2a-b). Формы областей MoS₂ с более низкой проводимостью не случайны, а соответствуют специфическим подстилающим сапфировым террасам. Области с более низкой проводимостью MoS₂ на сапфире с внеосевым срезом в 1°, соответствуют террасам, которые сгруппировались вместе. Во время предварительной обработки и процесса MOCVD ступеньки разлагаются и агломерируются. Ступенчатая (де-)формация в основном обусловлена ​​высокими температурами, используемыми как в процессе предварительной эпитаксии, так и в процессе MOCVD. Ступенчатая группировка становится более вероятной по мере сужения W_terrace, как и ожидалось для сапфира с внеосевым срезом в 1°. Когда монослой MoS₂ наносится на сапфир с с внеосевым срезом в 1° без какой-либо предварительной обработки, плотность высоко проводящих областей увеличивается с 83% (рис. 1d) до 93.5% (рис. 2b). Можно наблюдать четкую корреляцию между сгруппированными ступеньками (с более высокой H_terrace, 5.8% на рисунке 2a) и плохо проводящими областями (6.5% темных областей на рисунке 2b). Полученные профили поперечного сечения из топографии и токовых карт на рис. 2c дополнительно подтверждают это наблюдение. Однако на рис. 2b плохо проводящие области удалены не полностью. Это должно быть связано с температурой роста (в нашей работе 1000°C), которая достаточно высока, чтобы ввести группировку ступенек на поверхности сапфира во время осаждения [8-10].

Что касается наблюдаемой неоднородности распределения проводимости MoS₂, мы обнаружили, что присутствие кристаллов MoS₂ в незамкнутых верхних слоях не влияет на проводимость. Действительно, области MoS₂ с более низкой проводимостью остаются почти постоянными с толщиной слоя MoS₂, поскольку они также существуют в 3.5 ML MoS₂. На рис. 2d-e представлено сравнение областей, выделенных желтым пунктиром, на топографии и токовом изображениях, которое показывает, что кристаллы MoS₂ с неправильно ориентированной базисной плоскостью в незамкнутых верхних слоях не влияют на проводимость в этой области.

Рис. 2. Неоднородная электропроводность MoS₂, выращенного на сапфире. (a-b): Топография и одновременно полученная токовая карта 1.3 ML MoS₂ на сапфире с внеосевым срезом в 1°. (c): Соответствующие профили поперечного сечения для высоты (красный) и тока (синий) для карт (a) и (b), соответственно. (d-e): Топография и одновременно полученная токовая карта 3.5 ML MoS₂ на сапфире с осевым срезом. Изображения предоставляются с разрешения Американского химического сообщества [7]. Все права защищены ©.

 Более того, стоит отметить, что наличие областей с разной проводимостью возникает не только в эпитаксиальном слое MoS₂, но и в слое WS₂, выращенном на сапфире методом MOCVD, как показано на рисунке 3.

Рис. 3. (a-b): Топография и полученная одновременно токовая карта 1.7 ML WS₂ на сапфире с осевым срезом. Изображения предоставляются с разрешения Американского химического сообщества [7]. Все права защищены ©.

Таким образом, более низкая проводимость относится в первую очередь к полностью закрытому первому монослою MoS₂, а не к незамкнутым верхним слоям. Рис. 4a-b дополнительно подтверждает это, показывая два кристалла MoS₂ 2-го слоя с некоторыми областями с более высокой проводимостью и некоторыми областями с более низкой проводимостью.

Рис. 4. (a-b): Электропроводность островков MoS₂ 2-го и 3-го слоев на 1.3 ML MoS₂, выращенном на сапфире с осевым срезом. (а) Топография и (б) соответствующая токовая карта MoS₂, выращенного на сапфире с осевым срезом. Кристаллы с контурами белого цвета показывают частичные области с более высокой проводимостью и частичные области с более низкой проводимостью, что указывает на то, что поверхностные кристаллы не вносят большой вклад в неоднородную проводимость MoS₂ на сапфире. (c-f): Деградация 1.3 ML MoS₂, выращенного на сапфире с осевым срезом. (c-d): Топография и соответствующая токовая карта при 1 В 1.3 ML MoS₂, полученная сразу после роста методом MOCVD. (e-f): Топография и токовая карта при 1 В того же образца после 6 месяцев хранения в азотном шкафу. Нет окисленных областей на (c), но MoS₂ частично окислен на (e), что всегда коррелирует с плохо проводящими областями на (f). Изображения предоставляются с разрешения Американского химического сообщества [7]. Все права защищены ©.

 Результаты показывают, что состояние исходной поверхности сапфира является одним из ключевых параметров, определяющих физические и электрические свойства первого монослоя MoS₂.

Заключение

Внутренние электрические свойства двумерных дихалькогенидных переходных металлов оцениваются с помощью C-AFM и связаны с топографией образца. Мы обнаружили неоднородную проводимость в единственном монослое 2D TMD сразу после нанесения, которая, возможно, возникает из-за: (1) шероховатости поверхности TMD из-за изменения толщины слоя TMD; (2) деформация TMD, вызванной топографией поверхности сапфира; (3) внутризёренная дефектность TMD из-за зависимости скорости зародышеобразования TMD на сапфировой террасе; (4) дефектность интерфейса TMD, вызванная структурой поверхности сапфира и обрывом, что может привести к различным локальным эффектам легирования.

В настоящее время ведутся дальнейшие исследования по объединению C-AFM с передовыми методами спектроскопии (такими как Раман, PL и TOFSIMS) для дальнейшего изучения внутренних свойств эпитаксиальных 2D-материалов.

Подробные характеристики
Высоковакуумного атомно-силового микроскопа Park NX-Hivac

Ссылки

1. Liu, Y.; Duan, X.; Shin H.-J.; Park, S.; Huang, Y.; Duan, X. Promises and Prospects of Two-Dimensional Transistors. Nature 2021, 591, 43–53.
2. Su, S.-K.; Chuu, C.-P.; Li, M.-Y.; Cheng, C.-C.; Wong, H.-S. P.; Li, L.-J. Layered Semiconducting 2D Materials for Future Transistor Applications. Small Struct. 2021, 2, 2000103.
3. Akinwande, D.; Huyghebaert, C.; Wang, C.-H.; Serna, M. I.; Goossens, S.; Li, L.-J.; Wong, H.-S. P.; Koppens, F. H. L. Graphene and Two-Dimensional Materials for Silicon Technology. Nature 2019, 573, 507–518.
4. Agarwal, T.; Szabo, A.; Bardon, M. G.; Soree, B.; Radu, I.; Raghavan, P.; Luisier, M.; Dehaene, W.; Heyns, M. Benchmarking of Monolithic 3D Integrated MX2 FETs with Si FinFETs. In 2017 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM); 2017; p 5.7.1–5.7.4.
5. Smets, Q.; Arutchelvan, G.; Jussot, J.; Verreck, D.; Asselberghs, I.; Nalin Mehta, A.; Gaur, A.; Lin, D.; Kazzi, S. E.; Groven, B.; Caymax, M.; Radu, I. Ultra-Scaled MOCVD MoS2 MOSFETs with 42nm Contact Pitch and 250μA/Mm Drain Current. In 2019 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM); 2019; p 23.2.1–23.2.4.
6. Smets, Q.; Verreck, D.; Shi, Y.; Arutchelvan, G.; Groven, B.; Wu, X.; Sutar, S.; Banerjee, S.; Nalin Mehta, A.; Lin, D.; Asselberghs, I.; Radu, I. Sources of variability in scaled MoS2 FETs. In 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM); 2020; p 3.1.1–3.1.4.
7. Shi, Y.; Groven, B.; Serron, J.; Wu, X.; Nalin Mehta, A.; Minj, A.; Sergeant, S.; Han, H.; Asselberghs, I.; Lin, D.; Brems, S.; Huyghebaert, C.; Morin, P.; Radu, I.; Caymax, M. Engineering Wafer-Scale Epitaxial Two-Dimensional Materials through Sapphire Template Screening for Advanced High- Performance Nanoelectronics. ACS Nano 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c07761.
8. Cuccureddu, F.; Murphy, S.; Shvets, I. V.; Porcu, M.; Zandbergen, H. W.; Sidorov, N. S.; Bozhko, S. I. Surface Morphology of C-Plane Sapphire (α-Alumina) Produced by High Temperature Anneal. Surf. Sci. 2010, 604, 12941299.
9. Curiotto, S.; Chatain, D. Surface Morphology and Composition of C-, a- and m-Sapphire Surfaces in O2 and H2 Environments. Surf. Sci. 2009, 603, 2688–2697.
10. Ribič, P. R.; Bratina, G. Behavior of the (0001) Surface of Sapphire upon High-Temperature Annealing. Surf. Sci. 2007, 601, 44–49.