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カスタムエレクトロニクスのための環境下でのMoSおよびWS構造の層選択的合成
Layer-Selective Synthesis of MoS and WS Structures under Ambient Conditions for Customized Electronics.
PMID: 32579342 DOI: 10.1021/acsnano.0c02745.
抄録
遷移金属ジカルコゲナイド(TMD)は、ロジックデバイス、光電子デバイス、ウェアラブルエレクトロニクスなどの将来のエレクトロニクスのキーマテリアルの一つとして注目されていますが、複雑な合成法や多段階合成プロセスが実用化の大きなハードルとなっています。しかし、複雑な合成法やデバイス作製のための多段階プロセスが実用化の大きなハードルとなっています。ここでは、パルスレーザーアニーリング装置（λ=1.06μm, パルス持続時間∼100ps）を用いて、ウェハスケールのMoSおよびWS構造を層選択的に合成する方法を紹介します。隣接する層よりも少なくとも3桁以上高い吸収係数を持つ各TMDの前駆体層は、レーザーパルスの入射エネルギーを厳密に吸収し、数ナノ秒で急速に熱分解し、SiOやポリマー基板の隣接層を損傷することなく、MoSやWS層の生成を可能にした。実験と理論的研究を通じて、選択的合成の基礎原理を確立し、レーザー波長、出力、スクライブ速度などのレーザーアニーリング条件を周囲の条件で最適化した。その結果、4インチウェハ上にMoS層とWS層のパターン化された個々のホモ構造を直接合成することができた。さらに、最初に合成した層の上に第2の層を連続的に合成することで、垂直に積層されたWS/MoSヘテロ接合構造を実現し、電子デバイスの礎となる構造を実現しました。本研究では、概念実証として、MoSベースの電界効果トランジスタ、皮膚貼付型モーションセンサー、MoS/WSベースのヘテロ接合ダイオードの動作を実証した。これらのTMDの超高速かつ選択的な合成は、機能性ヘテロ構造をベースとしたエレクトロニクスの大面積・大量生産へのアプローチを示唆している。
Transition metal dichalcogenides (TMDs) have attracted significant interest as one of the key materials in future electronics such as logic devices, optoelectrical devices, and wearable electronics. However, a complicated synthesis method and multistep processes for device fabrication pose major hurdles for their practical applications. Here, we introduce a direct and rapid method for layer-selective synthesis of MoS and WS structures in wafer-scale using a pulsed laser annealing system (λ = 1.06 μm, pulse duration ∼100 ps) in ambient conditions. The precursor layer of each TMD, which has at least 3 orders of magnitude higher absorption coefficient than those of neighboring layers, rigorously absorbed the incoming energy of the laser pulse and rapidly pyrolyzed in a few nanoseconds, enabling the generation of a MoS or WS layer without damaging the adjacent layers of SiO or polymer substrate. Through experimental and theoretical studies, we establish the underlying principles of selective synthesis and optimize the laser annealing conditions, such as laser wavelength, output power, and scribing speed, under ambient condition. As a result, individual homostructures of patterned MoS and WS layers were directly synthesized on a 4 in. wafer. Moreover, a consecutive synthesis of the second layer on top of the first synthesized layer realized a vertically stacked WS/MoS heterojunction structure, which can be treated as a cornerstone of electronic devices. As a proof of concept, we demonstrated the behavior of a MoS-based field-effect transistor, a skin-attachable motion sensor, and a MoS/WS-based heterojunction diode in this study. The ultrafast and selective synthesis of the TMDs suggests an approach to the large-area/mass production of functional heterostructure-based electronics.