[論文レビュー] Sputtered 2D transition metal dichalcogenides: from growth to device applications

Merve Acar, Emre Gür|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

2D Materials and Applications参考文献 81被引用数 15

ひとこと要約

このレビューでは、MoS2 や WS2 などの大面積連続的 2次元遷移金属ジ chalcogenides (TMDC) の成長にスパッタリングをスケーラブルで信頼性の高い手法として評価しており、従来のCVD や機械的剥離法と比較しての利点を強調している。スパッタリング法で成長させたTMDCは、フィールド効果トランジスタ（移動度 ~10–20 cm²/V·s、Ion/Ioff ~10²–10⁷）およびフォトダイオード（検出感度最高で 1.4 × 10¹⁴ Jones）において妥当なデバイス性能を達成しており、次世代ナノエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスへの実用可能性を裏付けている。

ABSTRACT

Starting from graphene, 2D layered materials family has been recently set up more than 100 different materials with variety of different class of materials such as semiconductors, metals, semimetals, superconductors. Among these materials, 2D semiconductors have found especial importance in the state of the art device applications compared to that of the current conventional devices such as (which material based for example Si based) field effect transistors (FETs) and photodetectors during the last two decades. This high potential in solid state devices is mostly revealed by the transition metal dichalcogenides (TMDCs) semiconductor materials such as MoS2 , WS2 , MoSe2 and WSe2 . Therefore, many different methods and approaches have been developed to grow or obtain so far in order to make use them in solid state devices, which is a great challenge in large area applications. Although there are intensively studied methods such as chemical vapor deposition (CVD), mechanical exfoliation, atomic layer deposition, it is sputtering getting attention day by day due to the simplicity of the growth method together with its reliability, large area growth possibility and repeatability. In this review article, we provide benefits and disadvantages of all the growth methods when growing TMDC materials, then focusing on the sputtering TMDC growth strategies performed. In addition, TMDCs for the FETs and photodetector devices grown by RFMS have been surveyed.

研究の動機と目的

• スパッタリングを CVD や剥離法の代替として 2次元 TMDC の成長にスケーラブルに適用できるかを評価すること。
• スパッタリング法で作製された TMDC を用いたフィールド効果トランジスタ（FET）およびフォトダイオードの性能を分析すること。
• スパッタリング法で成長した TMDC 薄膜の結晶性および化学计量比を向上させる成長戦略を同定すること。
• スパッタリング法で得られる 2次元 TMDC が大規模なエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス用途に工業的応用可能であるかを評価すること。

提案手法

• Si/SiO2 サブストレート上に連続的かつ大面積の 2次元 TMDC 薄膜を成長させる主たる堆積法としてスパッタリングを用いる。
• 膜の均一性および結晶性を向上させるために、2段階のスパッタリングプロセスを用い、アルゴン雰囲気下での後続アニール処理を実施する。
• RFマグネトロンスパッタリングを用いて、厚さおよび化学计量比を制御した MoS2 および WS2 薄膜を堆積する。
• デバイスの作製には、標準的なリソグラフィーと熱蒸着法を用いてスパッタリング法で成長させた TMDC チャネル上にソース・ドレイン電極を形成する。
• 電気的特性評価には、移動度、オン/オフ比、ゲート制御特性を抽出するために、トランスファ特性および出力特性を測定する。
• フォトダイオードの性能評価には、さまざまな波長の光およびバイアス条件下での感度、検出感度、上昇・下降時間の測定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スパッタリング法は、デバイス用途に十分な結晶性を有する連続的かつ大面積の 2次元 TMDC 薄膜を生成可能か？
• RQ2 CVD や剥離法で作製されたデバイスと比較して、スパッタリング法で作製された TMDC FET の移動度およびオン/オフ比の性能はいかがなっているか？
• RQ3 2段階プロセスやアニール処理などのスパッタリング戦略が、スパッタリング法で成長した TMDC の品質およびデバイス性能をどのように向上させるか？
• RQ4 スパッタリング法で成長した TMDC のフォトダイオード性能は、感度、検出感度、応答速度の観点でどの程度か？
• RQ5 スパッタリング法で成長した TMDC は、次世代オプトエレクトロニクスシステム向けに柔軟かつスケーラブルなフォトダイオードを実現可能か？

主な発見

• スパッタリング法で成長させた MoS2 FET は、電子移動度が 2.2 および 5.1 cm²/V·s であり、オン/オフ比は 10² から 10⁷ の範囲に達する。
• 同じ基板上に作製された WS2 FET は、複数のデバイスで一貫した性能を示しており、プロセスの再現性を確認している。
• 直接スパッタリングと 800 °C のアニール処理を施した MoS2/Si ハイブリッドジャンクションフォトダイオードは、検出感度 1.45 × 10¹⁰ Jones を達成した。Pd-MoS2/n-Si 構造では、顕著な 1.0 × 10¹⁴ Jones の検出感度が報告された。
• 電子ビーム照射を施したポリイミド基板上に成長させた WS2 薄膜は、感度最高で 53.3 A/W、検出感度 1.22 × 10¹¹ Jones を達成した。
• スパッタリング法で成長した TMDC フォトダイオードは、応答時間がマイクロ秒（µs）スケールであるが、下降時間は長めであり、回復制限が見られる。
• スパッタリング法で成長した TMDC フォトダイオードの最高報告検出感度は 1.4 × 10¹⁴ Jones に達し、高品質な CVD や剥離法で得られたものと同等の性能を示している。