Impact van externe factoren op de banduitlijning van TMD’s met SiO2: WS2 versus WSe2 en MoS2

In de afgelopen 50 jaar zijn op Si-gebaseerde geïntegreerde schakelingen enorm verkleind. Een dergelijke verkleining vereiste aanzienlijke technologische vooruitgangen en innovatieve ontwerpen. Helaas, sinds de lengte van de transistorkanalen de 10 nm naderde, werd het duidelijk dat een dergelijke schaling niet aanhoudbaar zou zijn voor op Si-gebaseerde transistoren. Bij het zoeken naar oplossingen richt men zich op meer exotische halfgeleider materialen, namelijk tweedimensionale (2D) kristallen, zoals grafeen en overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD’s). Deze 2D TMD-structuren zijn bijzonder gunstig omdat alle atomaire bindingen verzadigd zijn in een monolaag (3 atoomlagig) die bestaat uit overgangsmetaalatomen die gesandwicht zijn tussen twee chalcogeen atoomlagen. Er wordt verwacht dat in een ideaal TMD-kristal geen "hangende"bindingen aanwezig zijn aan de oppervlakken of het grensvlak gevormd met andere vaste stoffen. Ondermeer daarom werden een of meerdere monolagen van TMD-films voorgesteld als halfgeleider materialen die verdere verkleining van de transistor zouden mogelijk maken.

Een fundamentele factor van dergelijke op 2D-lagen gebaseerde apparaten die niet over het hoofd kan worden gezien zijn de halfgeleider/isolator bandoffsets, omdat ze de lekstromen en ingebouwde potentialen regelen. De eenvoudigste manier om deze bandoffsets te bepalen is via interne foto-emissie (IPE) van elektronen, de techniek die hier zal gebruikt worden om de bandoffsets voor synthetische MX2 TMD-lagen met de door de industrie geaccepteerde isolator

(SiO2) te onderzoeken, waarbij M = Mo, W en X = S, Se. We zullen ons vooral concentreren op de WS2/SiO2-grenslaag, aangezien deze wordt aangeduid als de meest veelbelovende kandidaat voor toepassingen in veldeffecttransistors (FET). Het hoofddoel van dit proefschrift is om parameters te traceren die mogelijk een invloed hebben op de reproduceerbaarheid, stabiliteit en variabiliteit van de MX2/SiO2-grenslaag band offsets.

In dit werk wordt een nieuwe techniek geïntroduceerd om excitonische kenmerken van de 2D-films te karakteriseren met behulp van transiënte fotogeleidingsmetingen. Er werd een uitbreiding van de techniek ontwikkeld, die het mogelijk maakt om excitonische kenmerken te observeren via een semi- transparante bovenste contactlaag, waardoor 2D-film monitoring mogelijk wordt bij de film verwerking. Er wordt een demonstratie gegeven van de film kwaliteitsbeoordeling na de processing stappen of langdurige opslag. Bovendien kan de transiënte fotogeleidingsmethode gebruikt worden om de ingebouwde potentialen aan de grenslagen van 2D-halfgeleiders te evalueren. Aangezien in dit proefschrift schema’s voor de grenslaag banduitlijning worden bepaald, wordt een nauwkeurige bepaling van de WS2-bandkloof bereikt door middel van transiënte fotogeleidingsspectroscopie.

IPE-metingen worden gebruikt om de barrièrehoogte tussen de top van de WS2-valentieband (VB) en de bodem van de SiO2-conductieband (CB) te bepalen, en dit voor verschillende synthesetechnieken in een poging parameters te traceren die interface variabiliteit introduceren. Analyse van WS2/SiO2- grenslaag barrières geeft aan dat de banduitlijning niet alleen gevoelig is voor het aantal monolagen, maar ook voor de WS2-synthesetechniek. In het bijzonder voor een nieuwe lage temperatuur depositiemethode werd gevonden dat ondanks vergelijkbare intrinsieke eigenschappen van de neergezette WS2-films, de banduitlijning kan wijzigen tot wel ≈ 0.5 eV, wat wijst op de cruciale impact van het SiO2-oppervlak of de aanwezige tussenlagen. Dit soort elektrostatische instabiliteiten blijkt de belangrijkste extrinsieke factor die de uitlijning van de TMD/SiO2-banden beïnvloedt. Tegelijkertijd blijken de bandoffsets met SiO2 voor monolaag WS2 films minder beïnvloed te zijn door verwerkingsstappen in vergelijking met de eerdere resultaten bekomen voor MoS2. De oxidatie resistentie blijkt in hoge mate afhankelijk te zijn van de groeicondities.

Hoewel WS2 de meest veelbelovende kandidaat is om Si in FET’s te vervangen, vertoont WSe2 een hogere elektronenmobiliteit, maar de bandoffsets met SiO2 blijven onverkend. IPE-analyse van de WSe2/SiO2-grenslaag onthult een ≈ 0.4 eV opwaartse verschuiving in energie van de VB vergeleken met WS2 ten opzichte van de SiO2-CB. Bij de groei van MoS2 monolagen blijkt de introductie van groei(zaad) promotors de filmkwaliteit aanzienlijk te verbeteren, maar het effect van het introduceren van extra atoomsoorten in het grensvlak met het onderliggende oxide wordt vaak genegeerd en het effect ervan op de VB-positie blijft onbekend. Daarom wordt IPE gebruikt om het effect van zaadpromotors op de VB-positie van MoS2-films te bestuderen. Deze laten zien dat films die zonder zaadpromotor zijn gegroeid, last hebben van laterale niet-uniformiteiten zowel in de bandoffsets met SiO2 als in de elektrostatische potentiaal, gerelateerd aan de filmdiscontinuïteiten. Ondanks het feit dat gesloten MoS2-films kunnen worden gegroeid met een zaadpromotor, blijkt deze laatste niet alleen de band-offsets te veranderen tot maximaal ≈ 0.4 eV, maar ook laterale niet-uniformiteiten in de banduitlijning te introduceren.