[論文レビュー] Growth-Etch Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Approach of WS2 Atomic-Layers

Assael Cohen, Avinash Patsha+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2020

2D Materials and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、高品質な単層WS2およびWSe2膜を合成するための成長-エッチング金属有機化学気相成長（GE-MOCVD）法を提案する。W(CO)6とH2Sの揮発性前駆体をパルス供給し、成長中に制御された水蒸気を導入することで、ドメインサイズと結晶性が顕著に向上し、剥離フラックと同等の励起子寿命を達成した。これにより、スケーラブルで高性能な2次元半導体の製造が可能となった。

ABSTRACT

Metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) is one of the main methodologies used for thin film fabrication in the semiconductor industry today and is considered one of the most promising routes to achieve large-scale and high-quality 2D transition metal dichalcogenides (TMDCs). However, if not taken special measures, MOCVD suffers from some serious drawbacks, such as small domain size and carbon contamination, resulting in poor optical and crystal quality, which may inhibit its implementation for the large-scale fabrication of atomic-thin semiconductors. Here we present a Growth-Etch MOCVD (GE-MOCVD) methodology, in which a small amount of water vapor is introduced during the growth, while the precursors are delivered in pulses. The evolution of the growth as a function of the amount of water vapor, the number and type of cycles and the gas composition is described. We show a significant domain size increase is achieved relative to our conventional process. The improved crystal quality of WS2 (and WSe2) domains was demonstrated by means of Raman spectroscopy, photoluminescence (PL) spectroscopy and HRTEM studies. Moreover, time-resolved PL studies show very long exciton lifetimes, comparable to those observed in mechanically exfoliated flakes. Thus, the GE-MOCVD approach presented here may facilitate their integration into a wide range of applications.

研究の動機と目的

• 従来のMOCVD法による2次元遷移金属ジ chalcogenides (TMDCs) の限界、特にドメインサイズの小ささと炭素汚染を克服すること。
• 産業統合に適した大面積、高結晶性のWS2およびWSe2原子層の再現性がありスケーラブルな成長法を開発すること。
• 制御された成長とエッチングにより欠陥を低減し、励起子特性を向上させることで、光学的および電子的品質を向上させること。
• 揮発性金属有機前駆体を用いた正確な前駆体流量制御により、イン・サイトドーピングおよびヘテロ構造形成を可能とすること。

提案手法

• 850 °Cおよび50 torrの条件下で、W(CO)6とH2Sを前駆体として用いたパルス型金属有機化学気相成長（MOCVD）を実施した。
• 表面反応キネティクスを制御し欠陏修復を促進するために、成長中に制御された水蒸気を注入した。
• 質量輸送を向上させ、炭素含有量を低減するために、前駆体供給にパルスシーケンスを採用した。
• 膜の品質を評価するために、イン・サイト時間分解光励起分光（TRPL）およびエクス・サイトHRTEM、ラマン分光、PL、TOF-SIMSを実施した。
• 損傷を防ぐために、ポリスチレン（PS）ベースの転写技術を用いて、SiO2、石英、TEMグリッドに膜を転写した。
• 炭素含有量と元素組成を評価するために、負イオンモードでTOF-SIMSを用いた深さ方向プロファイル分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス型MOCVD成長中に制御された水蒸気を注入することで、WS2単層膜のドメインサイズと結晶性が顕著に向上するか？
• RQ2 従来のMOCVDと比較して、GE-MOCVDプロセスは炭素汚染をどの程度低減し、光学的品質を向上させるか？
• RQ3 時間分解PLで測定した場合、MOCVD法で成長させたWS2膜の励起子特性は、機械的剥離フラックと比べてどの程度か？
• RQ4 GE-MOCVDアプローチは、厚さと組成を調整可能なWSe2および他のTMDCsのスケーラブルで高品質な成長を可能にするか？

主な発見

• 成長中に水蒸気を添加したことで、WS2の平均ドメインサイズが100 µm以上にまで拡大し、従来のMOCVDで一般的に見られる10–100 nmのドメインサイズと比べ顕著に向上した。
• ラマン分光および光励起分光（PL）スペクトルから、高結晶性が確認され、明確なE2gおよびA1gピークと、約2.0 eV付近の強い、鋭いPL発光が観察された。
• 時間分解PL測定により、励起子寿命が約1.2 nsに達した。これは、機械的剥離フラックと同等であり、非放射的再結合が低いことを示している。
• HRTEMおよびHAADF像から、単層膜の厚さと高結晶性が確認され、スタッキングフォールトや粒界は極めて少ないことが分かった。
• TOF-SIMSの深さプロファイルから、炭素汚染が最小限に抑えられ、元素分布が均一であることが確認され、炭素含有の有効な抑制が示された。
• 本手法により、SiO2、石英、TEMグリッドなど多様な基板への高品質なWS2膜の転写が成功し、光学的および構造的完全性が保持された。