通过控制沟道厚度和退火工艺，利用拉曼效应优化溅射制备的γ-In2Se3晶体管的性能

《Applied Materials Today》：Raman-guided optimization of sputtered γ-In 2Se 3 transistors through channel-thickness and annealing control

In?Se?晶体管溅射工艺中薄膜厚度（19 nm）与后处理温度（200 °C）协同优化，通过拉曼光谱、TEM和XRD分析证实γ-In?Se?相主导形成，显著降低肖特基势垒至97 meV，提升器件良率达98%，载流子迁移率及亚阈值摆幅显著优化。

　　

作者：Yedam Kim、Minyoung Choi、Ojun Kwon、Seyoung Oh、Minhee Kim、Eunjeong Cho、Woojin Park、Byungjin Cho

韩国忠清北道清州市Seowon-gu Chungdae-ro 1号，忠清北国立大学先进材料工程系，邮编28644

摘要

本研究系统地探讨了溅射制备的In₂Se₃晶体管的电学性能，重点研究了薄膜厚度和退火条件对其的影响。透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）分析证实了半导体γ-In₂Se₃的主要形成，这对提高晶体管性能至关重要。拉曼光谱进一步表明，γ-In₂Se₃的A₁模式以及与硒相关的缺陷峰是与器件特性密切相关的关键因素。研究结果表明，晶体管性能主要受电荷传输效率的控制，而电荷传输效率又受到内部电阻和有效载流子传输路径的影响，同时还依赖于低缺陷密度的优质γ-In₂Se₃的形成。在薄膜厚度为19 nm、退火温度为200 °C的条件下，器件性能达到最佳。对温度依赖性传输特性的分析显示，优化后的In₂Se₃晶体管表现出仅为97 meV的极低肖特基势垒高度。通过对64个溅射制备的In₂Se₃晶体管进行关键参数的统计评估（包括开/关电流比、场效应迁移率、阈值电压和亚阈值摆幅），获得了98%的高器件产率。这些结果表明，溅射法是一种可行且可扩展的制备高均匀性、大面积In₂Se₃基电子器件的方法。总体而言，这项系统的沉积研究为理解In₂Se₃晶体管电学性能的决定性因素提供了清晰的认识，从而推动了基于二维材料的高性能电子器件的发展。

引言

随着硅基互补金属氧化物半导体技术面临物理极限，诸如阈值电压（V_th）下降和漏极诱导的势垒降低等关键挑战日益突出。为解决这些问题，人们提出了垂直集成策略，包括单片3D集成和高效互连[[1], [2], [3], [4]]。另一种理想的方法是用新型半导体替代硅。在这方面，二维（2D）材料因其独特的电学和光学性能而受到广泛关注，推动了电子和光电子器件的发展[[5], [6], [7]]。石墨烯作为研究最广泛的2D材料，以其超高的载流子迁移率、高热导率和优异的拉伸强度而成为革命性材料。然而，其固有的能带隙限制了其在场效应晶体管（FET）中的应用，因为可靠的导电调制是FET的基本要求。这促使人们开始研究二维半导体硫属化合物（如MoS₂、WSe₂）和III–VI族化合物（如GaSe和In₂Se₃）[[8], [9], [10], [11], [12]]。其中，In₂Se₃被认为是一种极具前景的n型半导体，它具有直接的能带隙（1.8 eV）和高载流子迁移率，并且存在多种多晶型（如α、β、γ、κ和δ），使其非常适合用于高性能FET和光电子应用[[13], [14], [15]]。具体来说，In₂Se₃在光伏电池和光电探测器等光电子器件中有所应用。此外，它还被研究用于相变随机存取存储器（PRAM）等非易失性存储组件[16]，热处理可促使In₂Se₃基薄膜从非晶态转变为晶态，伴随相变和微观结构重组。热处理或激光诱导的结构变化可以改变能带隙和折射率等光学参数[17,18]。

低维In₂Se₃的研究越来越多地关注通过调控堆叠顺序和缺陷配置来改变电子结构和功能特性的相工程。特别是γ相对于器件平台至关重要，但在大面积上获得纯γ相的In₂Se₃仍然具有挑战性。尽管已经通过多种生长方法制备出了高质量的γ-In₂Se₃，但许多方法在产量、工艺复杂性、温度控制或晶圆均匀性方面存在实际限制。溅射沉积是一种具有扩展性的薄膜制备方法，但获得纯γ相In₂Se₃的生长窗口通常较窄，且对沉积温度、等离子体条件及In和Se的化学计量比非常敏感，常常导致混合相和空间非均匀性。通过优化溅射和后处理条件，可以选择性地稳定大面积薄膜中的γ相，从而系统地研究相依赖的原子结构与晶体管特性之间的关系[[19], [20], [21], [22]]。In₂Se₃的堆叠结构与其相和组成密切相关，从而导致不同的物理和电学性质。然而，关于大规模器件中原子结构与电学性质之间关联的研究仍较少[15,23,24]。

在本研究中，我们利用拉曼光谱系统地研究了溅射制备的γ-In₂Se₃薄膜的原子结构与电学性质之间的强相关性，旨在制造高性能晶体管。拉曼光谱用于定性分析与γ-In₂Se₃相和硒缺陷相关的峰，这些峰受通道厚度和退火温度的影响。通过优化厚度和退火条件，成功制备出了高性能的γ相In₂Se₃晶体管。最终优化的In₂Se₃晶体管器件表现出97 meV的极低肖特基势垒高度。值得注意的是，64个In₂Se₃器件的产率达到98%，其晶体管参数（包括开/关电流比、阈值电压和场效应迁移率）也得到了显著提升。这些发现为将溅射制备的In₂Se₃晶体管集成到基于二维材料的先进电子电路中提供了系统性的策略。

In₂Se₃晶体管的制备过程

准备了一个p型掺杂的硅衬底（1.5 × 1.5 cm2），其上覆盖有50 nm厚的SiO₂层。衬底依次用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗3分钟。随后进行10分钟的臭氧处理，以去除有机杂质并使表面变为亲水状态。利用传统的光刻、射频磁控溅射和剥离工艺，在衬底上制备了长度为10 μm、宽度为200 μm的In₂Se₃通道。

In₂Se₃薄膜的结构和成分分析

图1a展示了制备的晶体管示意图，该晶体管具有In₂Se₃薄膜的独特晶体学特征。In₂Se₃通过射频磁控溅射沉积在50 nm厚的SiO₂介质上，源极和漏极电极采用Au/Cr材料，形成了背栅晶体管结构。详细的器件制备过程见图S1。图1b显示了经过200 °C退火的Cr/In₂Se₃/SiO₂堆叠结构的横截面TEM图像。

结论

本研究探讨了溅射制备的2D In₂Se₃晶体管的电学性能，发现薄膜厚度和退火条件对其性能有显著影响。TEM和XRD分析证实了γ-In₂Se₃的主要形成，这对提升晶体管性能至关重要。拉曼光谱显示，γ-In₂Se₃的A₁(TO)模式和硒缺陷（Se₈）峰是与晶体管性能密切相关的关键因素。

CRediT作者贡献声明

Yedam Kim：撰写初稿、进行研究、进行形式分析、提出概念。 Minyoung Choi：撰写初稿、进行研究、进行形式分析。 Ojun Kwon：撰写初稿、进行形式分析、管理数据。 Seyoung Oh：进行形式分析、管理数据。 Minhee Kim：进行形式分析。 Eunjeong Cho：进行形式分析。 Woojin Park：撰写初稿、管理数据、进行审稿和编辑、提供指导、提出概念。 Byungjin Cho：撰写终稿、进行审稿和编辑、提供监督、提出概念。