石墨烯是一種非常薄且柔韌,具有相當(dāng)強(qiáng)度的導(dǎo)電材料。然而,利用石墨烯作為組件的潛力面臨著許多挑戰(zhàn)。例如,制造基于電極的晶體管需要沉積極薄的介電薄膜。遺憾的是,這一過程導(dǎo)致了石墨烯電性能的下降,并在實(shí)施過程中造成缺陷。
浦項(xiàng)工科大學(xué)機(jī)械工程系的 Jihwan An 教授、新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械工程系的 Jeong Woo Shin 博士和首爾理工大學(xué)的 Geonwoo Park 博士組成的研究團(tuán)隊(duì)采用了一種稱為紫外輔助原子層沉積(UV-ALD) 的新方法來處理石墨烯電極。這項(xiàng)開創(chuàng)性的技術(shù)成功生產(chǎn)了高性能石墨烯-電介質(zhì)界面。該研究?jī)?nèi)容以“High-Performance Graphene-Dielectric Interface by UV-Assisted Atomic Layer Deposition for Graphene Field Effect Transistor”為題發(fā)表在《Advanced Electronic Materials》雜志上。
該研究首次應(yīng)用紫外光輔助原子層沉積(UV-ALD)技術(shù)于石墨烯表面,并展示了利用UV-ALD沉積Al2O3薄膜在石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GFETs)中的應(yīng)用。在ALD過程中進(jìn)行5秒最佳紫外照射,導(dǎo)致在石墨烯表面上沉積出更加致密平滑的Al2O3薄膜,形成親密的石墨烯-介質(zhì)界面,而過量的紫外照射則會(huì)阻止薄膜的成核。因此,通過UV-ALD沉積高質(zhì)量介質(zhì)層的GFETs顯示出改善的性能,具有接近0 V的狄拉克電壓和1221 cm2V?1s?1的空穴遷移率,與熱ALD相比提高了超過200%。該研究證明,UV-ALD是實(shí)現(xiàn)二維材料與超薄介質(zhì)膜之間高質(zhì)量界面的一種有效簡(jiǎn)單選擇,也證明了在低溫(100℃以下)沉積高密度、高純度原子層介電薄膜的可能性。
圖文導(dǎo)讀
圖1. 本研究中使用的UV-ALD的示意圖a)裝置和b)過程(1個(gè)周期)。
圖2. 對(duì)Si基底上的UV-ALD Al2O3膜的表征:a)基于X射線反射(XRR)的密度和粗糙度總結(jié),b)通過UV-ALD沉積的Al2O3薄膜的XPS光譜(UV0/5/20),c-e)c)UV0,d)UV5和e)UV20的O1s峰的高分辨率XPS光譜,以及f)基于O1s峰解卷積的Al2O3和(Al2O3+ AlOOH)峰之間面積強(qiáng)度比的總結(jié)。
圖3. UV-ALD Al2O3薄膜在石墨烯上的原子力顯微鏡(AFM)圖像:a)UV0,b)UV5,c)UV20,d)UV50,以及e)線性剖面的比較。f)來自AFM分析的晶粒尺寸和面積覆蓋率總結(jié)。g)UV-ALD Al2O3薄膜在石墨烯上的XPS光譜,以及h)GI-XRD光譜。
圖4. a)紫外光輔助原子層沉積(UV-ALD)Al2O3薄膜的拉曼光譜,以及b)帶有UV-ALD(UV0/5/20/50)Al2O3層的石墨烯的G峰峰值位置和半峰寬。c)UV0,d)UV5,e)UV20和f)UV50的高分辨率光譜。
圖5. a)Al2O3/ Au / 石墨烯GFETs結(jié)構(gòu)的器件示意圖。b)帶有UV0/5/20/50 ALD Al2O3介電層的GFETs的傳輸特性。c、d)根據(jù)UV照射時(shí)間總結(jié)的GFETs的達(dá)克電壓(VDirac)和空穴遷移率(μh)(灰色線表示ALD之前裸露石墨烯的性質(zhì))。
結(jié)論
研究人員首次成功地將紫外光輔助原子層沉積(UV-ALD)技術(shù)應(yīng)用于石墨烯基底,并展示了通過UV-ALD沉積的Al2O3介電薄膜提升的GFETs性能。在ALD過程中,最佳的UV照射,即每個(gè)循環(huán)5秒(UV5),通過重建親密的石墨烯-介質(zhì)界面上的成核位點(diǎn),誘導(dǎo)了均勻薄膜的生長(zhǎng);它還在低溫(<100°C)下為配體交換提供了不足的熱能,導(dǎo)致了高質(zhì)量的Al2O3薄膜沉積,即更加致密、平滑和純凈。相反,過量的UV照射(UV20/50)可能會(huì)導(dǎo)致非均勻薄膜沉積,可能是由于在ALD半周期中是反應(yīng)位點(diǎn)的石墨烯上的-OH或TMA的脫鍵。因此,具有優(yōu)質(zhì)UV-ALD介電層的GFETs在最佳UV照射下表現(xiàn)出改進(jìn)的性能,VDriac接近0V,μh為1221 cm2?V?1?s?1,與具有熱ALD介電層的GFET相比,提高了約3倍。該研究展示的成功將低溫UV-ALD應(yīng)用于具有高質(zhì)量介電-石墨烯界面的GFETs,可能在實(shí)現(xiàn)高性能的石墨烯或其他二維材料(例如MoS2、h-BN)基柔性電子器件方面具有重要意義。
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原文標(biāo)題:開創(chuàng)性新方法!用于高性能石墨烯電子產(chǎn)品!
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