Groei- en nucleatiemechanismes van 2D halfgeleider/hoge-k dielectricum heterostructuren

De rijke diversiteit aan twee-dimensionele (2D) materialen en hun uitzonderlijke eigenschappen bieden zicht op tal van mogelijke toepassingen. Zo worden heterostructuren van 2D halfgeleiders en diëlektrica onderzocht voor toepassing in nano- en opto-elektronische componenten. Een van de grootste uitdagingen bij hun industriële toepassing, o.a. bij het creëren van deze heterostructuren op substraten met veel grotere afmetingen, is de noodzaak ook de controle te behouden over de samenstelling, de structuur en de dikte van de lagen en dit met een precisie op atomair niveau. Dergelijke implementatie vereist het gebruik van meer industriële productieprocessen zoals chemische dampdepositie (CVD) en atoomlaagdepositie (ALD) aangezien alleen deze geschikt zijn voor groei op grote substraten (300 mm wafers) en grote volumes.

Bij het gebruik van deze technieken is inzicht in de groei- en nucleatiemechanismes onmisbaar om de vereiste groeicontrole te verkrijgen. Dit onderzoekswerk kadert in deze problematiek en focusseert op het verwerven van een diepgaand inzicht in de groei- en nucleatiemechanismes van de 2D halfgeleiders SnS en SnS2, alsook in de groei van hoge-k metaaloxidediëlektrica op deze 2D halfgeleiders.

We starten het onderzoek met de studie van het reactiemechanisme voor depositie van nm-dunne SnS en SnS2 kristallen met CVD vanuit SnCl4 en H2S. SnS wordt gevormd bij hoge temperatuur en, opmerkelijk, bij een hoge H2S/SnCl4 concentratieverhouding, terwijl SnS2 bij lage temperatuur en lage H2S/SnCl4 concentratieverhouding gevormd wordt. De vorming van SnS wordt verklaard door de reductie van SnS2 met H2, dat gevormd wordt door ontbinding van H2S op temperaturen hoger dan 350°C. De ontbinding van H2S wordt mogelijkerwijze ook gekatalyseerd door de groeiende SnS2 kristallen. Het inzicht in het nucleatiemechanisme van de 2D SnS en SnS2 kristallen verklaart waarom hun dikte moeilijk schaalbaar is van nm- naar het monolaagniveau. Het blijkt namelijk dat in tegenstelling tot enkele andere 2D materialen, zowel SnS2 als SnS eilandgroei vertonen door oppervlaktediffusie en agglomeratie waardoor aanvankelijk de eilanden bolvorming groeien en dus een 3D structuur vormen. Alleen na het bereiken van een kritische afmeting (4.5 nm voor SnS CVD op 350°C) groeien de kristallen voornamelijk lateraal door preferentiële incorporatie van atomen aan de zijranden van de 2D kristallen, die meer reactief zijn dan het basale kristaloppervlak, en wordt een 2D structuur gevormd.

In het tweede luik van dit onderzoek exploreren we depositieprocessen voor de groei van een nm-dun, gesloten diëlektricum op een 2D halfgeleider. ALD lijkt hier de aangewezen methode omdat het controle biedt qua laagdikte, samenstelling en structuur op atomair niveau vanuit het zelflimiterende karakter van de oppervlaktereacties. De fundamentele vraag die hierbij moet beantwoord worden, is hoe men de ALD technieken kan toepassen op 2D materialen aangezien het basale kristaloppervlak van een 2D materiaal in principe gepassiveerd is en de oppervlaktereacties van de ALD processen niet mogelijk zijn. Ons onderzoek toont aan dat op een polykristallijn MoS2-oppervlak de nucleatie van metaaloxides met ALD alleen optreedt aan de kristalkorrelgrenzen wegens hun hogere reactiviteit ten opzichte van het basale kristaloppervlak terwijl op het kristaloppervlak zelf geen groei plaatsvindt. Op basis van dit inzicht hebben we een proces ontwikkeld om het aantal reactieve sites op het basale MoS2-oppervlak te verhogen door het functionalizeren van het MoS2-oppervlak met SiO2. Dit leidt tot de aanwezigheid van hydroxylgroepen welke dan fungeren als reactie sites voor ALD van metaaloxides. Alhoewel de functionalizering leidt tot een sub-nm dunne, niet-gesloten SiO2-laag, vormt dit toch een voldoende homogene laag om te komen tot een groei van een dunne, gesloten metaaloxidelaag. De verklaring hiervoor is dat ondanks de sub-nm afstanden tussen de SiO2-eilanden de metaaloxidelaag zich toch snel sluit door radiale groei vanuit de SiO2-eilanden.