[논문 리뷰] High Performance WSe2 Field-Effect Transistors via Controlled Formation of In-Plane Heterojunctions

Bilu Liu, Yuqiang Ma외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 29.

2D Materials and Applications참고 문헌 17인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 화학기상증착법으로 증착한 단일층 및 소수층 WSe2 필드효과 트랜지스터의 제어된 공기 분위기에서의 열처리가 평면 내 WSe2/WO3-x 이종접합을 형성함으로써 장치 성능을 크게 향상시킴을 보여준다. 이 처리로 단일층의 경우 필드효과 이동도가 31 cm²/V·s로 향상되었고, 소수층의 경우 92 cm²/V·s에 도달하였으며, on/off 비율은 최대 5×10⁸에 이르렀다. 이는 제어된 산화에 의해 향상된 운반자 이동성 덕분이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고성능 전자소자에 응용하기 위한 데에 주요한 제약인 단일층 WSe2 FET의 낮은 필드효과 이동도를 극복하기 위해.
• 공기 중에서 제어된 열산화가 WSe2 기반 필드효과 트랜지스터의 전기적 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 공기 열처리 후 WSe2 FET 성능 향상의 배경이 되는 화학적 및 구조적 메커니즘을 규명하기 위해.
• 장치 성능 향상을 위한 WSe2 이종구조를 공학적으로 설계할 수 있는 확장 가능한 후처리 공정을 제시하기 위해.

제안 방법

• 최적화된 온도와 시간로 CVD법으로 증착한 단일층 및 소수층 WSe2 FET를 대기 중에서 제어된 열처리한 방법.
• 열처리 중의 화학적 및 구조적 변화 분석을 위해 현장 내 스펙트로스코피 및 투과전자현미경(TEM)을 사용한 방법.
• 표면에서 WSe2의 선택적 산화를 통해 WSe2와 WO3-x 상 사이의 평면 내 이종접합을 형성한 방법.
• 산란을 최소화하고 이동도를 향상시키기 위해 공기 열처리된 WSe2 FET를 헥사고날 보론 nitride(h-BN) 기판에 통합한 방법.
• 열처리 전후의 FET에 대한 체계적 전기적 특성 측정을 통해 on 상태 전류, on/off 비율, 필드효과 이동도를 측정한 방법.
• XPS 및 EDS 분석으로 확인된 바와 같이, WSe2 표면에 WO3-x 형성이 관찰된 성능 향상과의 상관관계를 분석한 방법.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제어된 공기 분위기에서의 열처리가 단일층 WSe2 FET의 필드효과 이동도와 on/off 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 공기 분위기에서의 열처리 동안 WSe2에 발생하는 화학적 및 구조적 변화는 어떤 것이며, 이는 장치 성능 향상으로 이어지는가?
• RQ3 WSe2 FET의 운반자 이동성을 향상시키기 위해 평면 내 WSe2/WO3-x 이종접합을 의도적으로 형성할 수 있는가?
• RQ4 기판 재료(예: h-BN)는 공기 열처리된 WSe2 FET의 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ5 WO3-x 형성이 WSe2 기반 트랜지스터에서 산란을 감소시키고 이동도를 향상시키는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 최적화된 공기 열처리 후 단일층 WSe2 FET는 평균 필드효과 이동도가 31 cm²/V·s에 도달하여, 원래의 장치보다 뚜렷한 향상이 이루어졌다.
• 유사한 처리를 받은 소수층 WSe2 FET는 피크 필드효과 이동도가 92 cm²/V·s에 도달하였으며, 이는 층 수에 따라 성능 향상이 일어남을 시사한다.
• 열처리된 WSe2 FET에서는 최대 5×10⁸의 on/off 전류 비율을 달성하여 뛰어난 스위칭 특성을 보였다.
• 현장 내 스펙트로스코피 및 TEM 분석을 통해 성능 향상의 주요 메커니즘으로 평면 내 WSe2/WO3-x 이종접합의 형성이 확인되었다.
• 공기 열처리와 h-BN 기판의 조합으로 단일층 WSe2 FET의 필드효과 이동도가 83 cm²/V·s에 도달하였으며, 이는 상호보완적 효과를 보여주었다.
• 성능 향상은 제어된 산화에 의해 표면에 WO3-x가 형성됨으로써 운반자 산란이 감소하고 인터페이스 품질이 향상되어 기인한다.