[論文レビュー] Halide-Assisted Atmospheric Pressure Growth of Large WSe2 and WS2 Monolayer Crystals

Shisheng Li, Shunfeng Wang+7 more|QUT ePrints (Queensland University of Technology)|Sep 2, 2015

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、塩化ナトリウムや臭化カリウムなどのハロゲン化アルカリ金属（例：NaCl、KBr）を成長促進剤として用いることで、大気圧下で中程度の温度（700–850 °C）で大型単層WSe₂およびWS₂結晶の化学気相成長（CVD）を実証した。ハロゲン化物は揮発性のタングステン酸化ハライド種を形成することで効率的な気相輸送を可能にし、優れたフィールド効果トランジスタ特性を示す高品質で意図しない不純物ドーピングのない2次元半導体を得た。その性能は、最大10⁷のオン/オフ比および約14–26 cm² V⁻¹ s⁻¹の電子移動度を達成した。

ABSTRACT

Chemical vapor deposition (CVD) of two-dimensional (2D) tungsten dichalcogenide crystals requires steady flow of tungsten source in the vapor phase. This often requires high temperature and low pressure due to the high sublimation point of tungsten oxide precursors. We demonstrate atmospheric pressure CVD of WSe2 and WS2 monolayers at moderate temperatures (700 ~ 850 oC) using alkali metal halides (MX where M= Na or K and X=Cl, Br or I) as the growth promoters. We attribute the facilitated growth to the formation of volatile tungsten oxyhalide species during growth, which leads to efficient delivery of the precursor to the growth substrates. The monolayer crystals were found to be free of unintentional doping with alkali metal and halogen atoms. Good field-effect transistor (FET) performances with high current on/off ratio ~10 7, hole and electron mobilities up to 102 and 26 cm2 V 1 s-1 for WSe2 and electron mobility of ~14 cm2 V-1 s-1 for WS2 devices were achieved.

研究の動機と目的

• 大気圧下で大面積単層WSe₂およびWS₂結晶をスケーラブルに成長させる方法の開発。
• タングステン酸化物前駆体の高い昇華点のため、従来のCVD法が要求する高温度・低圧条件の制限を克服すること。
• アルカリ金属ハライドを助剤として用いることで、揮発性のタングステン酸化ハライド種を形成し、タングステンの効率的な気相反送を実現すること。
• アルカリ金属またはハロゲン元素による意図しない不純物ドーピングなしに高品質な2次元半導体を達成すること。
• 成長した単層に基づく高性能フィールド効果トランジスタ（FET）の実証。

提案手法

• アルカリ金属ハライド（MX；M = NaまたはK、X = Cl、Br、I）を大気圧CVDにおける添加物として用い、揮発性のタングステン酸化ハライド種の形成を促進した。
• タングステン源としてタングステン酸化物（WO₃）を用い、硫属元素源（SeまたはS）は熱蒸発により導入した。
• 大気圧下で700–850 °Cの温度範囲で成長を実施し、タングステン種の安定な気相反送を可能にした。
• 揮発性のタングステン酸化ハライド中間体が前駆体の基板への供給を効率化し、単層結晶の核生成と成長を促進した。
• 得られたWSe₂およびWS₂単層は、ラマン分光法、光学顕微鏡、および原子間力顕微鏡を用いて厚さおよび結晶性を確認した。
• 電気的性能評価のため、フィールド効果トランジスタ（FET）デバイスをプロセスし、オン/オフ比およびキャリア移動度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 修正されたCVDプロセスを用いて、大気圧下で大面積単層WSe₂およびWS₂結晶を成長させることは可能か？
• RQ2 アルカリ金属ハライドは、2次元ジチalcogenidesのCVD成長におけるタングステン前駆体の気相反送をどのように向上させるか？
• RQ3 揮発性のタングステン酸化ハライド種は、中程度の温度および大気圧下での成長を可能にする役割を果たすか？
• RQ4 得られた単層結晶が、アルカリ金属またはハロゲン元素による意図しない不純物ドーピングをどの程度回避しているか？
• RQ5 ハロゲン化物を助剤とする成長により得られたWSe₂およびWS₂単層に基づくFETの電気的輸送特性は何か？

主な発見

• アルカリ金属ハライドを助剤として用いることで、大気圧および700 °C～850 °Cの温度範囲で、大型単層WSe₂およびWS₂結晶の成長に成功した。
• 揮発性のタングステン酸化ハライド種の形成が、タングステン前駆体の輸送効率を顕著に向上させ、大気条件下での成長を可能にした。
• スペクトロスコピック分析により、得られた単層にアルカリ金属またはハロゲン元素による検出可能な意図しない不純物ドーピングが認められなかった。
• WSe₂ FETは、最大10⁷のオン/オフ比およびホール移動度102 cm² V⁻¹ s⁻¹、電子移動度26 cm² V⁻¹ s⁻¹を示した。
• WS₂ FETは、約14 cm² V⁻¹ s⁻¹の電子移動度を示し、高品質な半導体的挙動を示した。
• 本手法により、実用的な成長条件下でスケーラブルかつ低コストな高機能2次元半導体デバイスのプロセスが可能になった。