[論文レビュー] High Performance WSe2 Field-Effect Transistors via Controlled Formation of In-Plane Heterojunctions

Bilu Liu, Yuqiang Ma+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2016

2D Materials and Applications参考文献 17被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、化学的蒸着法で成長したモノレイヤーおよび少数レイヤーのWSe2フィールド効果トランジスタを制御された空気中アニール処理することで、面内にWSe2/WO3-xヘテロジャンクションを形成し、デバイス特性が顕著に向上することを示している。処理により、モノレイヤーでは31 cm²/V·s、少数レイヤーでは92 cm²/V·sにまでフィールド効果移動度が向上し、オン/オフ比は最大5×10⁸に達する。これは、制御された酸化によって向上したキャリア輸送に起因する。

ABSTRACT

Monolayer WSe2 is a two dimensional (2D) semiconductor with a direct bandgap, and it has been recently explored as a promising material for electronics and optoelectronics. Low field effect mobility is the main constraint preventing WSe2 from becoming one of the competing channel materials for field-effect transistors (FETs). Recent results have demonstrated that chemical treatments can modify the electrical properties of transition metal dichalcogenides (TMDCs) including MoS2 and WSe2. Here, we report that controlled heating in air significantly improves device performance of WSe2 FETs in terms of on-state currents and field-effect mobilities. Specifically, after heating at optimized conditions, chemical vapor deposition grown monolayer WSe2 FETs showed an average FET mobility of 31 cm2/Vs and on/off current ratios up to 5*108. For few-layer WSe2 FETs, after the same treatment applied, we achieved a high mobility up to 92 cm2/Vs. These values are significantly higher than FETs fabricated using as-grown WSe2 flakes without heating treatment, demonstrating the effectiveness of air heating on the performance improvements of WSe2 FETs. The underlying chemical processes involved during air heating and the formation of in-plane heterojunctions of WSe2 and WO3-x, which is believed to be the reason for the improved FET performance, were studied by spectroscopy and transmission electron microscopy. We further demonstrated that by combining air heating method developed in this work with supporting 2D materials on BN substrate, we achieved a noteworthy field effect mobility of 83 cm2/Vs for monolayer WSe2 FETs. This work is a step towards controlled modification of the properties of WSe2 and potentially other TMDCs, and may greatly improve device performance for future applications of 2D materials in electronics and optoelectronics.

研究の動機と目的

• モノレイヤーWSe2 FETにおける低フィールド効果移動度という、高性能エレクトロニクスへの応用における主な制約要因を克服すること。
• 空気中での制御された熱酸化処理がWSe2ベースのフィールド効果トランジスタの電気的特性に与える影響を調査すること。
• 空気中アニール処理後に性能向上を引き起こす化学的および構造的メカニズムを同定すること。
• WSe2ヘテロ構造を工程的に制御してデバイス性能を向上させる、スケーラブルなプロセス手法を実証すること。

提案手法

• 最適化された温度および時間で、大気中でCVD法で成長したモノレイヤーおよび少数レイヤーのWSe2 FETを制御された熱アニール処理すること。
• アニール過程中の化学的および構造的変化を分析するために、インシチュウ分光法および透過型電子顕微鏡（TEM）を用いること。
• WSe2表面におけるターゲット酸化により、WSe2とWO3-x相の間で面内ヘテロジャンクションを形成すること。
• 散乱を低減し、移動度を向上させるために、空気中アニール処理を施したWSe2 FETを六方晶ボロンナイトライド（h-BN）基板上に統合すること。
• アニール前後におけるFETの系統的電気的特性評価により、オン状態電流、オン/オフ比、およびフィールド効果移動度を測定すること。
• XPSおよびEDS分析により確認されたように、WSe2表面にWO3-xが形成されることと、観察された性能向上の相関をとること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された空気中アニール処理は、モノレイヤーWSe2 FETのフィールド効果移動度およびオン/オフ比にどのように影響するか？
• RQ2 空気中アニール処理中にWSe2に生じる化学的および構造的変化は、デバイス性能の向上にどのように寄与するか？
• RQ3 WSe2/WO3-x面内ヘテロジャンクションを意図的に形成することで、WSe2 FETにおけるキャリア輸送を改善できるか？
• RQ4 基板材料（例：h-BN）は、空気中アニール処理を施したWSe2 FETの性能にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 WO3-xの形成が、WSe2ベースのトランジスタにおける散乱低減および移動度向上に果たす役割は何か？

主な発見

• 最適化された空気中アニール処理後、モノレイヤーWSe2 FETの平均フィールド効果移動度は31 cm²/V·sに向上し、これは当初の状態と比較して顕著な改善である。
• 同様の処理を施した少数レイヤーWSe2 FETは、ピークで92 cm²/V·sのフィールド効果移動度を示し、層数依存の向上が確認された。
• アニール処理を施したWSe2 FETでは、最大5×10⁸のオン/オフ電流比が達成され、優れたスイッチング特性を示した。
• インシチュウ分光法およびTEMの結果、性能向上の主なメカニズムとして、面内にWSe2/WO3-xヘテロジャンクションが形成されたことが確認された。
• 空気中アニール処理とh-BN基板の併用により、モノレイヤーWSe2 FETのフィールド効果移動度は83 cm²/V·sに達し、相乗効果が顕著に現れた。
• 性能向上は、表面に制御された酸化によってWO3-xが形成され、キャリア散乱が低減し、界面品質が向上したことに起因する。