Synthesis and device integration of two-dimensional MOCVD MoS2 films

Abstract

Els dicalcogenurs de metalls de transició bidimensionals (2D), com el MoS2, tenen una combinació única de propietats electròniques i mecàniques que els converteix en materials atractius per a transistors d’escala atòmica i electrònica flexible. No obstant això, la implementació de capes fines de MoS2 en grans àrees industrialment rellevants s'enfronta a múltiples reptes de fabricació, depenent en gran mesura del desenvolupament de processos de síntesi i integració, escalables i compatibles amb la indústria per arribar a les aplicacions desitjades.

Aquest treball investiga la deposició de vapor químic metal·loorgànic (MOCVD) com a mètode prometedor i tecnològicament rellevant per a la síntesi a gran escala de capes fines de MoS2. Les capes de MoS2 es van fer créixer a partir de precursors d'hexacarbonil i organosulfur de molibdè en substrats comercials i aïllants, com ara òxid de silici, vidre i safir. Per obtenir una comprensió fonamental del procés MOCVD i optimitzar el creixement de capes fines de MoS2 d'alta qualitat, es va dur a terme un estudi complet de paràmetres de creixement juntament amb una caracterització microscòpica i espectroscòpica de les capes. Es va prestar especial atenció a la comprensió dels mecanismes subjacents i a la mitigació de la incorporació de carboni, que poden sorgir de l'ús de la química de precursors orgànics i que poden afectar les propietats morfològiques i (opto)electròniques de la capa. A més, l'estudi va explorar estratègies per minimitzar els defectes del límit de gra a les capes policristal·lines, millorant la mida del gra i creixent capes de MoS2 alineades al substrat, sobre substrats de safir cristal·lí mitjançant l'heteroepitaxia de van der Waals. Per a aquest últim, es va estudiar l'impacte de la preparació de la superfície del safir i les condicions de creixement en l'epitaxia de domini d'orientació selectiva. Es va establir un marc de tècniques de microscopia i de difracció de superfície d'incidència rassant per caracteritzar la qualitat de la capa en termes de relació epitaxial i dispersió mosaic en el pla, treballant cap a l'objectiu de capes fines de MoS2 monocristal·lí.

Es va desenvolupar la integració del dispositiu i la fabricació d'una tecnologia de transistor d'efecte de camp (FET) MoS2, inclosa la transferència de capes amb baixos residus, l'encapsulació d'òxids mitjançant una estratègia de capa llavor i un processat a nivell d'oblia. Al llarg del flux de fabricació, es van realitzar anàlisis de capes microscòpiques i espectroscòpiques des de capes fines de MoS2 totalment integrades, fins a la caracterització elèctrica final dels dispositius FET. La reducció de les densitats de trampes d'interfície es van identificar com un repte central per a l'enginyeria de la interfície. A més, es van comparar capes de MoS2 amb diferents mides de gra obtingudes durant l'optimització del creixement de capes fines, destacant la importància de reduir els defectes del canal per millorar les propietats de transport de la capa. Es van fabricar diverses generacions de dispositius FET que abasten des d'arquitectures simples de porta líquida fins a arquitectures de porta sòlida totalment encapsulades en òxid, inclosa la traducció reeixida de SiO2 rígid a substrats flexibles de poliimida. Amb aquesta finalitat, com a aplicació objectiu, es van desenvolupar sondes d'electrocorticografia d'interfície neuronal (ECoG). Els primers prototips d'aquests dispositius ECoG van fer ús de FET MoS2 actius que serveixen com a commutadors en sèrie monolíticament integrats a píxels de sensors neuronals basats en grafè en una disposició de matriu 1x8. La capacitat d'adreçament i multiplexació de les matrius MoS2-FET en dispositius ECoG es va demostrar in vitro com a prova de concepte. Aquest és un pas important cap al desenvolupament d'una tecnologia d'interfície neuronal flexible i d'alta densitat basada en materials 2D.

Los dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales (2D), como el MoS2, poseen una combinación única de propiedades electrónicas y mecánicas que los convierte en materiales atractivos para transistores atómicamente delgados y electrónica flexible. Sin embargo, la implementación de capas delgadas de MoS2 en grandes áreas de relevancia industrial se enfrenta a múltiples desafíos de fabricación, que dependen en gran medida del desarrollo de procesos de integración y síntesis, escalables y compatibles con la industria para alcanzar las aplicaciones deseadas.

Este trabajo investiga la deposición de vapor químico orgánico-metálico (MOCVD) como un método prometedor y tecnológicamente relevante para la síntesis a gran escala de capas delgadas de MoS2. Se hicieron crecer capas de MoS2 a partir de hexacarbonilo de molibdeno y precursores de organosulfuro en sustratos aislantes comerciales, como óxido de silicio, vidrio y zafiro. Para obtener una comprensión fundamental del proceso MOCVD y optimizar el crecimiento de capas delgadas de MoS2 de alta calidad, se llevó a cabo un estudio integral de los parámetros de crecimiento junto con la caracterización microscópica y espectroscópica de las capas. Se prestó especial atención a la comprensión de los mecanismos subyacentes y a la mitigación de la incorporación de carbono que puede surgir del uso de la química de precursores orgánicos, y que puede afectar las propiedades morfológicas y (opto)electrónicas de la capa. Además, el estudio exploró estrategias para minimizar los defectos de límite de grano en capas policristalinas, mejorando el tamaño de grano y creciendo capas de MoS2 alineadas con el sustrato, en sustratos de zafiro cristalino a través de la heteroepitaxia de van der Waals. Para este último, se estudió el impacto de la preparación de la superficie del zafiro y las condiciones de crecimiento en la epitaxia de dominio de orientación selectiva. Se estableció un marco de técnicas de microscopia y de difracción de superficie de incidencia rasante para caracterizar la calidad de la capa en términos de relación epitaxial y dispersión mosaic en el plano, trabajando hacia el objetivo de capas delgadas de MoS2 monocristalino.

Se desarrolló la integración del dispositivo y la fabricación de una tecnología de transistor de efecto de campo (FET) de MoS2, incluida la transferencia de capas con mínimos residuos, la encapsulación de óxido mediante una estrategia de capa semilla y el procesado a nivel de oblea. A lo largo del flujo de fabricación se realizaron análisis de capas microscópicas y espectroscópicas desde capas finas de MoS2 hasta la caracterización eléctrica final de dispositivos FET. La reducción de las densidades de trampas de interfaz se identificó como un desafío central para la ingeniería de interfaz. Además, se compararon capas de MoS2 con diferentes tamaños de grano obtenidas durante la optimización del crecimiento de capas delgadas, lo que destacó la importancia de reducir los defectos del canal para mejorar las propiedades de transporte de la capa. Se fabricaron varias generaciones de dispositivos FET que abarcan desde arquitecturas de puerta líquida simple, hasta arquitecturas de puerta sólida completamente encapsuladas con óxido, incluida la traslación exitosa de sustratos rígidos de SiO2 a sustratos de poliimida flexibles. Con este fin, como aplicación objetivo, se desarrollaron sondas de electrocorticografía de interfaz neural (ECoG). Los primeros prototipos de estos dispositivos ECoG hacieron uso de MoS2 FET activos, que sirven como interruptores seriales monolíticamente integrados para píxeles de sensores neuronales basados en grafeno en una disposición de matriz de 1x8. La capacidad de direccionamiento y multiplexación de matrices MoS2-FET en dispositivos ECoG se demostró in vitro como prueba de concepto. Este es un paso significativo hacia el desarrollo de una tecnología de interfaz neuronal flexible y de alta densidad basada en materiales 2D.

Two-dimensional (2D) layered transition-metal dichalcogenides, such as MoS2, possess a unique combination of electronic and mechanical properties making them appealing materials for atomically-thin transistors and flexible electronics. However, the implementation of MoS2 thin films on industrially relevant large areas faces manifold manufacturing challenges, heavily relying on the development of scalable, industry-compatible synthesis and integration processes to reach target applications.

This work investigates metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) as a promising and technologically relevant method for the large-scale synthesis of MoS2 thin films. MoS2 films were grown from molybdenum hexacarbonyl and organosulfide precursors on commercial, insulating substrates, such as silicon oxide, glass and sapphire. To gain fundamental understanding of the MOCVD process and to optimize the growth of high-quality MoS2 thin films, a comprehensive growth parameter study coupled with microscopic and spectroscopic film characterization was conducted. A particular focus was given to understanding the underlying mechanisms and mitigation of carbon incorporation that may arise from the use of organic precursor chemistry and that may affect the morphological and (opto)electronic film properties. Furthermore, the study explored strategies to minimize grain boundary defects in polycrystalline films by enhancing grain size and by growing substrate-aligned MoS2 films on crystalline sapphire substrates via van der Waals heteroepitaxy. For the latter, the impact of sapphire surface preparation and growth conditions on the orientation-selective domain epitaxy was studied. A framework of microscopic and grazing incidence surface diffraction techniques was established to assess film quality in terms of epitaxial relationship and in-plane mosaic spread, working towards the goal of single-crystalline MoS2 thin films.

The device integration and fabrication of a MoS2 field effect transistor (FET) technology was developed, including residue-reduced layer transfer, oxide encapsulation by a seed layer strategy and wafer-level batch process. Along the fabrication flow, microscopic and spectroscopic film analyses were performed from as-grown to fully integrated MoS2 thin films up to the final electrical characterization of FET devices. The reduction of interface trap densities was identified as a central challenge for interface engineering. Moreover, MoS2 films with different grain sizes obtained during thin film growth optimization were benchmarked, highlighting the importance of reducing channel defects for improving the film transport properties. Several generations of FET devices were fabricated spanning from simple liquid-gate to fully oxide-encapsulated solid-gate architectures, including the successful translation from rigid SiO2 to flexible polyimide substrates. To this end, as the target application, neural interface electrocorticography (ECoG) probes were developed. First prototypes of these ECoG devices made use of active MoS2 FETs serving as monolithically integrated, serial switches to graphene-based neural sensor pixels in a 1x8 matrix arrangement. The addressing and multiplexing capability of MoS2-FET arrays in ECoG devices was demonstrated in vitro as a proof-of-concept. This is a significant step towards the development of a flexible, high-density neural interface technology based on 2D materials.