Tungsten Diselenide Growth and Characterization via Metal Organic Chemical Vapor Deposition

Abstract

One of the promising transition metal dichalcogenide materials, tungsten diselenide (WSe2) growth was investigated using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) with tungsten hexacarbonyl (W(CO)6) as the tungsten source and bis(trimethylsilyl)selenide (Bis(TMSi)Se) as the selenium source. The growth was performed on four different substrates: c-sapphire, CVD graphite, flake graphite, and flake hexagonal boron nitride (h-BN), at temperatures ranging from 450℃ to 575℃ and a growth time between 1 and 2 hours. The WSe2 films were characterized by optical, structural, surface, and electrical analyses. Raman spectroscopy confirmed the formation of the bonds between tungsten and selenium with its characteristic peaks. X-ray diffraction (XRD) patterns for centimeter-scale (c-sapphire and CVD graphite), and selected area electron diffraction (SAED) pattern / high resolution tunneling electron microscopy (HR-TEM) image for micrometer-scale (flake graphite and h-BN) samples revealed the crystalline structure, phase, and morphology. Field emission scanning electron microscope (FE-SEM) and atomic force microscope (AFM) verified the surface morphology. Finally, the electrical properties of WSe2 grown on flake h-BN were investigated using a 2-probe contact field effect transistor (FET) configuration. Unfortunately, the desired gate modulation was not achieved.

Keyword : Metal-organic chemical vapor deposition, van der Waals heterostructure, Transition metal dichalcogenide, Tungsten diselenide

Student Number : 2021-21959

최초로 발견된 2차원 물질인 그래핀의 발견 이후, 기존의 3차원 물질들과는 현저히 다른 새로운 물성들을 보이는 2차원 물질들에 대한 연구에 박차가 가해지게 되었다. 현재 모든 2차원 물질들의 종류들 중 뛰어난 물리적, 전자적, 광전자적인 특성을 가지는 전이금속 디칼코겐 화합물이 기존의 CMOS에 사용되는 물질을 대체할 수 있는 후보군으로 각광받고 있다. 대부분의 전이금속 디칼코겐 화합물이 n-형 반도체인 반면, 2차원 반도체 텅스텐 디셀레나이드는 p-형 반도체 특성을 가지고 있다고 알려져 있기에 이에 대한 관심은 점점 더 늘어나고 있다. 그럼에도 불구하고 해당 물질을 대면적으로 만들어 소자로 활용한 연구들은 소재 자체가 가지는 특성에 관한 연구에 비해 부진한 상황이다. 본 논문에서는 벽면이 차갑게 유지되는 유기 금속 화학 기상 증착법을 이용하여 텅스텐 디셀레나이드가 대면적으로 합성이 가능함을 보이고자 하였다. 이 연구에서는 성장 온도, 시간 등 다양한 성장 변수들을 조절하여 텅스텐 디셀레나이드가 선호하는 성장 조건을 탐색해보았으며, 기존 연구들과는 다른 셀레늄 유기 화학금속 물질을 사용하여 비교적 낮은 온도에서 합성이 가능함을 보였다. 이 결과는 라만 분광법, X-선 회절 분광법, 투과전자현미경, 주사전자현미경, 원자현미경 등을 통해 검증되었다. 더 나아가 합성한 텅스텐 디셀레나이드를 활용하여 전계 효과 트랜지스터 소자를 만들어 CMOS 소자 물질로의 활용 가능성을 보이고자 하였다. 하지만 작은 그레인 사이즈와 높은 결함 상태 때문에 게이트 전압 변화에 대한 드레인 전류 변화가 거의 보이지 않음을 확인하였다. 본 연구는 텅스텐 디셀레나이드를 유기 금속 화학기상증착법을 이용하여 대면적 합성이 가능하다는 것을 보였다는데 의의가 있으며, 추가적인 연구를 통하 여 해당 물질의 질적 향상을 이루어 전계 효과 트랜지스터로의 응용이 가능하다면 2차원 전이금속 디칼코겐 화합물의 활용 가능성을 더욱 넓힐 수 있을 것이라고 생각한다.