[论文解读] Atomic layer deposition of HfO2 on graphene from HfCl4 and H20

Harry Alles, Jaan Aarik+9 more|arXiv (Cornell University)|May 10, 2010

Semiconductor materials and devices被引用 15

一句话总结

本研究展示了在未经修饰的石墨烯上使用 HfCl4 和 H2O 前驱体、在 180 °C 条件下通过原子层沉积（ALD）生长 HfO2，采用两步温度工艺（先 170 °C，后 300 °C）。该方法制备出均匀、单斜相的 HfO2 薄膜，表面粗糙度低（1.7–2.5 nm），对石墨烯电子特性影响极小，11 nm 厚 HfO2 层使石墨烯在狄拉克点处的电子迁移率降低不足 10%。

ABSTRACT

Atomic layer deposition of ultrathin HfO2 on unmodified graphene from HfCl4 and H2O was investigated. Surface RMS roughness down to 0.5 nm was obtained for amorphous, 30 nm thick hafnia film grown at 180 degrees C. HfO2 was deposited also in a two-step temperature process where the initial growth of about 1 nm at 170 degrees C was continued up to 10-30 nm at 300 degrees C. This process yielded uniform, monoclinic HfO2 films with RMS roughness of 1.7 nm for 10-12 nm thick films and 2.5 nm for 30 nm thick films. Raman spectroscopy studies revealed that the deposition process caused compressive biaxial strain in graphene whereas no extra defects were generated. An 11 nm thick HfO2 film deposited onto bilayer graphene reduced the electron mobility by less than 10% at the Dirac point and by 30-40% far away from it.

研究动机与目标

• 开发一种在未修饰石墨烯上可靠沉积高质量 HfO2 电介质层以用于电子应用的方法。
• 在高 k 电介质沉积过程中最小化对石墨烯电子结构的损伤。
• 实现厚度可控、表面粗糙度低的均匀结晶 HfO2 薄膜。
• 评估 HfO2 帽层对石墨烯电子迁移率及缺陷密度的影响。

提出的方法

• 采用 HfCl4 和 H2O 作为前驱体，通过顺序自限制方式实施原子层沉积（ALD）。
• 在 180 °C 下沉积非晶 HfO2 薄膜，或采用两步法：先在 170 °C 下成核 1 nm，再在 300 °C 下生长至 10–30 nm 厚度。
• 通过原子力显微镜（AFM）测量表面粗糙度，并报告不同膜厚下的均方根（RMS）值。
• 利用拉曼光谱分析 HfO2 沉积后石墨烯中的应变和缺陷生成情况。
• 测量双层石墨烯在 HfO2 帽层沉积前后的电子迁移率，以评估电子性能退化程度。
• X 射线衍射和 AFM 确认了 HfO2 薄膜的单斜相结构及其表面形貌。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过 ALD 使用 HfCl4 和 H2O 在未修饰石墨烯上有效生长 HfO2，且不引入缺陷？
• RQ2 HfO2 沉积温度对薄膜结晶性和表面粗糙度有何影响？
• RQ3 HfO2 帽层对石墨烯电子迁移率的影响如何，特别是在狄拉克点附近？
• RQ4 ALD 工艺在多大程度上在石墨烯晶格中引入应变或额外缺陷？
• RQ5 两步 ALD 工艺能否实现更均匀、更结晶的 HfO2 薄膜，并提升电介质性能？

主要发现

• 在 180 °C 下生长的 30 nm 厚非晶 HfO2 薄膜表面均方根粗糙度为 0.5 nm。
• 两步 ALD 工艺制备出均匀的单斜相 HfO2 薄膜，10–12 nm 厚膜的均方根粗糙度为 1.7 nm，30 nm 厚膜为 2.5 nm。
• 拉曼光谱证实石墨烯存在压缩性双轴应变，但沉积过程中未引入额外缺陷。
• 在双层石墨烯上沉积 11 nm 厚 HfO2 薄膜后，狄拉克点处电子迁移率降低不足 10%，远离狄拉克点时降低 30–40%。
• 两步法相比单温度生长，可实现更优的结晶性与结构均匀性。
• 结果证明了将高 k HfO2 与石墨烯集成用于未来二维电子与光电子器件的可行性。