[논문 리뷰] Growth-Etch Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Approach of WS2 Atomic-Layers

Assael Cohen, Avinash Patsha외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 17.

2D Materials and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 고품질 단일층 WS2 및 WSe2 필름을 합성하기 위한 성장-에칭 금속-유기 화학기상증착(GE-MOCVD) 방법을 소개한다. 성장 중에 유증기성 W(CO)6 및 H2S 전구체를 펄스 공급하면서 제어된 수증기를 도입함으로써 도메인 크기와 결정성이 크게 향상되었으며, 이는 기계적 분리된 플레이크와 유사한 흥 exciton 수명을 달성함으로써 스케일업이 가능한 고성능 2D 반도체 제조를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 MOCVD 기술이 2D 전이 금속 디 chalcogenide(TMDCs)에 대해 보이는 작은 도메인 크기와 탄소 오염 등의 한계를 극복하기 위함.
• 산업 통합에 적합한 대면적 고결정성 WS2 및 WSe2 원자층의 재현성 있고 스케일업 가능한 성장 방법 개발을 위함.
• 제어된 성장 및 에칭을 통해 결함을 최소화하고 발광 특성을 향상시켜 광학적 및 전자적 품질을 향상시키기 위함.
• 유증기성 금속-유기 전구체를 이용한 정밀한 전구체 유량 제어를 통해 현장에서의 도핑 및 이종구조 형성 가능성을 확보하기 위함.

제안 방법

• 850 °C 및 50 torr 압력에서 W(CO)6와 H2S를 전구체로 사용하여 펄스형 금속-유기 화학기상증착(MOCVD)을 시행함.
• 표면 반응 동역학을 조절하고 결함 복구를 촉진하기 위해 성장 중 제어된 수증기 주입을 통합함.
• 질량 이동을 향상시키고 탄소 침착을 감소시키기 위해 전구체 공급을 펄스 방식으로 구현함.
• 필름 품질을 평가하기 위해 현장에서의 시간 분 giải 광발광(TRPL) 및 현장 외에서의 고해상도 전자현미경(HRTEM), 라만 스펙트로스코피, 광발광(PL), TOF-SIMS를 수행함.
• 손상 없이 SiO2, 퀠츠, TEM 격자 등 다양한 기질로 필름을 이송하기 위해 폴리스티렌(PS) 기반 이송 기술을 적용함.
• 탄소 오염 수준과 원소 조성을 평가하기 위해 부정성 이온 모드에서 TOF-SIMS를 이용한 깊이 프ofile 분석을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펄스형 MOCVD 성장 중 제어된 수증기 주입이 WS2 단일층의 도메인 크기와 결정성을 현저히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 기존 MOCVD에 비해 GE-MOCVD 공정이 탄소 오염을 얼마나 줄이고 광학 품질을 향상시키는가?
• RQ3 시간 분해 광발광(TRPL) 측정을 통해 MOCVD로 성장한 WS2 필름의 발광 특성은 기계적 분리 플레이크와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 GE-MOCVD 접근법을 통해 두께와 조성을 조절 가능한 WSe2 및 기타 TMDCs의 스케일업 가능한 고품질 성장이 가능한가?

주요 결과

• 성장 중 수증기 주입으로 인해 WS2의 평균 도메인 크기가 기존 MOCVD의 일반적인 10–100 nm에 비해 100 µm 이상으로 크게 증가함.
• 라만 및 광발광(PL) 스펙트로스코피를 통해 날카로운 E2g 및 A1g 피크와 약 2.0 eV에서 강하고 좁은 PL 발광이 확인되어 고결정성 품질을 입증함.
• 시간 분해 광발광 측정을 통해 약 1.2 ns의 exciton 수명을 관측하였으며, 이는 기계적 분리 플레이크와 유사하여 비복사 재결합이 낮음을 시사함.
• HRTEM 및 HAADF 영상 분석을 통해 단일층 두께와 높은 결정성, 극히 적은 다층 결함 또는 격자 경계를 확인함.
• TOF-SIMS 깊이 프ofile 분석을 통해 탄소 오염이 최소화되고 원소 분포가 균일함을 확인하여 탄소 침착 억제 효과를 입증함.
• 고품질 WS2 필름이 SiO2, 퀠츠, TEM 격자 등 다양한 기질로 손상 없이 성공적으로 이송되었으며, 광학적 및 구조적 무결성이 유지됨.