[논문 리뷰] Halide-Assisted Atmospheric Pressure Growth of Large WSe2 and WS2 Monolayer Crystals

Shisheng Li, Shunfeng Wang외 7명|QUT ePrints (Queensland University of Technology)|2015. 09. 02.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 알칼리 metal 할라이드(예: NaCl, KBr)를 성장 촉매제로 사용하여 대기압 조건에서 중온(700–850 °C)에서 대규모 단일층 WSe₂ 및 WS₂ 결정의 기상 에어로졸 화학 기상 에피택시얼(chemical vapor deposition, CVD)을 구현함을 보여준다. 할라이드는 비휘발성 텅스텐 산화할라이드 화합물을 형성함으로써 효율적인 기상 이동을 가능하게 하여, 높은 품질의 의도하지 않은 도핑가 없는 2차원 반도체를 얻게 하며, 이는 우수한 필드효과 트랜지스터 성능을 보이며, on/off 비율은 최대 10⁷에 이르고 전자 이동도는 약 14–26 cm² V⁻¹ s⁻¹이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 대기압에서 대규모 단일층 WSe₂ 및 WS₂ 결정을 공정하게 성장시키는 방법을 개발하기 위해.
• 텅스텐 산화물 전구체의 고융점 증발 특성으로 인해 기존 CVD 방법이 고온 및 저압 조건을 요구하는 데서 비롯되는 한계를 극복하기 위해.
• 알칼리 금속 할라이드를 촉매제로 사용하여 비휘발성 텅스텐 산화할라이드 화합물을 형성함으로써 기체상 이동을 효율적으로 가능하게 하기 위해.
• 알칼리 금속 또는 할로겐 원소로부터의 의도하지 않은 도핑 없이 고품질 2차원 반도체를 확보하기 위해.
• 성장된 단일층 기반 고성능 필드효과 트랜지스터(FET)의 성능을 입증하기 위해.

제안 방법

• 알칼리 금속 할라이드(MX, 여기서 M = Na 또는 K, X = Cl, Br 또는 I)를 대기압 CVD에 첨가제로 사용하여 비휘발성 텅스텐 산화할라이드 화합물의 형성을 촉진함.
• 텅스텐 산화물(WO₃)을 텅스텐 원료로 사용하고, 셀레늄 또는 황 원료는 열증발을 통해 공급함.
• 700–850 °C에서 대기압 조건에서 성장하여 텅스텐 화합물의 안정적인 기상 이동을 가능하게 함.
• 비휘발성 텅스텐 산화할라이드 중간체가 원료의 도달 효율을 향상시켜 단일층 결정의 핵형성 및 성장을 촉진함.
• 결과적으로 형성된 WSe₂ 및 WS₂ 단일층의 두께와 결정성을 확인하기 위해 라만 스펙트로스코피, 광학 현미경 및 원자력 현미경을 이용한 특성 분석 수행.
• 전기적 성능 평가를 위해 필드효과 트랜지스터(FET) 소자를 제작하여 on/off 비율 및 실리콘 이동도를 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기압에서 수정된 CVD 공정을 사용하여 대규모 단일층 WSe₂ 및 WS₂ 결정을 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 알칼리 금속 할라이드는 2차원 디칼코겐화합물의 CVD 성장에서 텅스텐 전구체의 기상 이동을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 비휘발성 텅스텐 산화할라이드 화합물은 어떤 역할을 하여 중온 및 대기압 조건에서의 성장을 가능하게 하는가?
• RQ4 결과적으로 형성된 단일층 결정에서 알칼리 금속 또는 할로겐 원소에 의한 의도하지 않은 도핑 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 할라이드 보조 성장된 WSe₂ 및 WS₂ 단일층을 기반으로 한 FET의 전기적 운반성질은 어떠한가?

주요 결과

• 알칼리 금속 할라이드를 촉매제로 사용하여 대기압 및 700 °C에서 850 °C 사이의 온도에서 대규모 단일층 WSe₂ 및 WS₂ 결정을 성공적으로 성장시킴.
• 비휘발성 텅스텐 산화할라이드 화합물의 형성이 텅스텐 전구체의 이동 효율을 크게 향상시켜 대기 조건에서의 성장을 가능하게 함.
• 스펙트로스코픽 분석을 통해 알칼리 금속 또는 할로겐 원소에 의한 의도하지 않은 도핑가 검출되지 않음.
• WSe₂ FET는 최대 10⁷의 전류 on/off 비율과 각각 102 및 26 cm² V⁻¹ s⁻¹의 정공 및 전자 이동도를 나타냄.
• WS₂ FET는 약 14 cm² V⁻¹ s⁻¹의 전자 이동도를 보이며 고품질 반도체 거동을 나타냄.
• 이 방법은 실용적인 성장 조건에서 대규모 저비용 고성능 2차원 반도체 장치의 제조를 가능하게 함.