Применение метода атомно-слоевого осаждения для получения полупроводниковых 2D MoS2 и WS2 слоев на больших площадях

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00504

НазваниеПрименение метода атомно-слоевого осаждения для получения полупроводниковых 2D MoS2 и WS2 слоев на больших площадях

Руководитель Маркеев Андрей Михайлович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-703 - Перспективные технологические процессы микро- и наноэлектроники

Ключевые слова двумерные материалы, дихалькогениды переходных металлов, атомно-слоевое осаждение, оптоэлектроника, сульфидизация

Код ГРНТИ47.09.48

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект относится к проблеме получения на больших площадях двумерных (2-D) Ван-дер-Ваальсовых структур на основе дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ), которые, по существу, представляют собой новый класс материалов, свойства которых кардинально отличаются от трехмерных материалов. Так, графен (наиболее исследованный 2-D материал) несмотря на очень высокую подвижность носителей, является полуметаллом и имеет запрещенную зону нулевой ширины. По этой причине в графеновом транзисторе ток течет при любом напряжении на затворе. В этой связи для задач наноэлектроники и оптоэлектроники большой интерес представляют 2-D материалы полупроводникового типа, то есть, обладающие ненулевой шириной запрещенной зоны. К этим материалам в первую очередь относятся такие Ван-дер-Ваальсовы материалы, как дихалькогениды переходных металлов MX2, где M=Mo, W и Х=S,Se, Te. Помимо ненулевой запрещенной зоны, 2D MX2 материалы проявляют целый комплекс интересных свойств: переход к прямозонной структуре, приемлемая подвижность носителей заряда и сильное спин-орбитальное взаимодействие вследствие отсутствия инверсионной симметрии. Все эти свойства делают 2-D MoS2 , WS2 чрезвычайно перспективными материалами для наноэлектроники, оптоэлектроники и спинтроники. Так, в случае классических МОП-транзисторов показано, что сверхмалая толщина канала в случае использования 2D MoS2 улучшает электростатический контроль канала затвором, ведет к уменьшению эффектов короткого канала, и в результате демонстрирует лучшее поведение при геометрическом масштабировании, а также меньшее энергопотребление [Desai, S. B. et al. MoS2 transistors with 1-nanometer gate lengths, Science 354, 99–102 (2016)]. Наряду с отдельными N-МОП и КМОП транзисторами на 2D MoS2 уже был продемонстрирован и 115 транзисторный микропроцессор [S. Wachter et al. Nature Communications, 2017; 8: 14948 ]. Не менее интересные результаты были продемонстрированы и для оптоэлектронных применений ДПМ. Так, в структуре h-BN/графен/WSe2/графен/h-BN удалось получить ~5 пс восстановление после отклика на оптический сигнал [M. Massicotte et al., Nature Nanotechnology, 11, p. 42-46 (2016)], что чрезвычайно перспективно для создания систем оптической коммутации взамен традиционной в компьютерах нового поколения. Однако, все указанные достижения 2D ДПМ получены на экспериментальных образцах, которые, как правило, имели площадь не более нескольких десятков микрон. В работе [S. Wachter et al. Nature Communications, 2017; 8: 14948] сообщается о том, что впервые при изготовлении интегральной схемы была достигнута площадь 2D MoS2 приблизительно в 0.5см2. Все это крайне мало для коммерческой микроэлектроники, которая требует как минимум на порядок больших площадей. В этой связи данный проект, направленный на получение 2D MoS2 и WS2 полупроводников на больших (~50 см2) площадях, представляется актуальным, так как может помочь внедрению этих новых материалов в промышленность. При разработке подходов к решению проблемы учитывались следующие факты: в научном сообществе продемонстрирована возможность получения качественных двумерных слоев MoS2 и WS2 путем высокотемпературной (> 700C) сульфидизации тонких слоев оксидов молибдена и вольфрама, получаемых физическим испарением на подложках малых площадей. С другой стороны, метод атомно-слоевого осаждения (АСО) (принципиально низкотемпературный процесс) в силу самонасыщения (self-saturation) поверхностных химических реакций обеспечивает рост оксидов переходных металлов с ангстремным уровнем точности на больших площадях. В результате в данном проекте предлагается исследовать и разработать двухстадийный процесс получения 2D MoS2, WS2 полупроводников. На первой стадии планируется при помощи метода АСО вырастить сверхтонкие (~1-5 нм) слои оксидов молибдена и вольфрама (MoO3 и WO3). При этом в полной мере должны сработать преимущества АСО: точность задания толщины и высокая однородность нанесения на больших площадях, тогда как необходимые структурно-кристаллические характеристики 2D ДПМ будут получены на второй стадии, а именно на стадии высокотемпературной сульфидизации MoO3 и WO3 для получения 2D MoS2 и WS2. Такой двухстадийный процесс получения материалов обладает существенной новизной, так как не прорабатывался с точки зрения комплексного исследования, включающего в себя как разработку АСО-процессов сверхтонких MoO3, WO3 на больших (~50см2) площадях, так и разработку процессов сульфидизации АСО оксидов, с оптимизацией обоих процессов с точки зрения получения двумерных слоев кристаллических MoS2 и WS2 с высокой подвижностью носителей.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Романов Р.И., Славич А.С., Козодаев М.Г., Мякота Д.И., Лебединский Ю.Ю., Новиков С.М., Маркеев А.М. Band Alignment in As-Transferred and Annealed Graphene/MoS2 Heterostructures Phys. Status Solidi RRL, 1900406 (год публикации - 2019)
10.1002/pssr.201900406

2. Романов Р.И., Козодаев М.Г., Мякота Д.И., Черникова А.Г., Новиков С.М., Волков В.С., Славич А.С., Зарубин С.С., Чижов П.С., Хакимов Р.Р., Чуприк А.А., Хванг Ч.С., Маркеев А.М. Synthesis of Large Area two-dimensional MoS2 films by Sulfurization of Atomic Layer Deposited MoO3 Thin Film for Nanoelectronic applications ACS Applied Nano Materials (год публикации - 2019)
10.1021/acsanm.9b01539

3. Романов Р. И., Козодаев М. Г., Лебединский Ю. Ю., Перевалов Т. В., Славич А. С., Хванг Ч. С., Маркеев А. М. Radical-Enhanced Atomic Layer Deposition of a Tungsten Oxide Film with the Tunable Oxygen Vacancy Concentration The Journal of Physical Chemistry C, vol. 124, no. 33, pp. 18156–18164 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jpcc.0c05446

4. Козодаев М. Г., Славич А. С., Романов Р. И., Зарубин С. С., Маркеев А. М. Influence of Reducing Agent on Properties of Thin WS2 Nanosheets prepared by Sulfurization of atomic-layer-deposited WO3 The Journal of Physical Chemistry C (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jpcc.0c09769

5. Козодаев М. Г., Романов Р. И., Черникова А. Г., Маркеев А. М. Atomic Layer Deposition of Ultrathin Tungsten Oxide Films from WH2(Cp)2 and Ozone The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 125, Issue 39, pp. 21663–21669 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpcc.1c06149

6. Романов Р.И., Козодаев М.Г., Черникова А.Г., Забросаев И.В., Чуприк А.А., Зарубин С.С., Новиков С.М., Волков В.С., Маркеев А.М. Thickness-Dependent Structural and Electrical Properties of WS2 Nanosheets obtained via ALD-grown WO3 sulfurization technique as a channel material for field effect transistors ACS Omega (год публикации - 2021)
10.1021/acsomega.1c04532

7. Романов Р.И., Козодаев М.Г., Лебединский Ю.Ю., Забросаев И.В., Губерна Е.А., Маркеев А.М. Band Alignment of Graphene/MoS2/Fluorine Tin Oxide Heterojunction for Photodetector Application Physica Status Solidi A, 218, 2000744 (год публикации - 2021)
10.1002/pssa.202000744

Публикации