Eine clevere Art, Graphen zu schützen
In den letzten zehn Jahren der Graphen-Forschung ist deutlich geworden, dass die Oberfläche von Graphen vor äußeren Verunreinigungen geschützt werden muss, um seine außergewöhnlichen elektronischen Eigenschaften zu erhalten und sie für neuartige Bauelemente nutzen zu können. Die Abscheidung von dielektrischen Materialien auf Graphen ist daher ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung von elektronischen und photonischen Bauelementen auf Graphenbasis.
Die derzeit fortschrittlichste Technik für die Abscheidung dielektrischer Materialien auf Graphen ist die Atomlagenabscheidung (auf English: atomic layer deposition, kurz ALD), mit der sich die Gleichmäßigkeit, die Zusammensetzung und die Dicke des Films genau kontrollieren lassen. Für Graphen und andere 2D-Materialien wird in der Regel das thermische ALD-Verfahren auf Wasserbasis verwendet, da es die Graphenschicht nicht beschädigt. Das Fehlen von Keimbildungsstellen auf Graphen schränkt jedoch die Qualität des dielektrischen Films ein und erfordert die Abscheidung einer Keimschicht vor der ALD, um gute Ergebnisse zu erzielen. Ein anderer Ansatz ist die plasmaunterstützte Atomlagenabscheidung (plasma enhanced atomic layer deposition, kurz PEALD), die jedoch beim Wachstum auf Graphen zu Oberflächenschäden führen kann.
Forscher der AMO GmbH, Oxford Instruments, Cambridge University, RWTH Aachen University und Bergischen Universität Wuppertal haben nun eine neue Methode demonstriert, um PEALD auf Graphen anzuwenden, ohne Defekte in das Graphen selbst einzubringen. Der Trick besteht darin, eine Monoschicht aus hexagonalem Bornitrid (hBN) – einem zweidimensionalen Isolator – als Schutzschicht auf Graphen zu verwenden. Die Monolage hBN ist dünn genug, um die Qualität des Dielektrikums zu vernachlässigen, aber dick genug, um das Graphen vor dem in PEALD verwendeten Sauerstoffplasma zu schützen.
Die schützende Wirkung der hBN-Monolage wird durch Raman-Spektroskopie-Messungen vor und nach der Abscheidung des Dielektrikums deutlich sichtbar (siehe Abb. 1). „Die Raman-Studie ist sehr wichtig für die Charakterisierung des Graphens und für die Optimierung des Prozesses“, sagt Dr. Bárbara Canto, Erstautorin der Studie. „Dies kann uns zu zukünftigen Bauelementen aus Graphen mit höherer dielektrischer Qualität und einem besseren Verständnis der Auswirkungen der verschiedenen Prozessschritte auf Graphen führen.“ Die elektrische Charakterisierung von Feldeffekt-Bauelementen, die auf hBN/Graphen hergestellt wurden, bestätigt, dass das Graphen unbeschädigt bleibt, und zeigt die hohe Qualität des Dielektrikums.
Raman-Analyse mit und ohne hBN-Schutzschicht vor und nach der Al2O3-Abscheidung. Raman-Spektroskopie ist ein Standardinstrument zur Bewertung der Qualität von Graphen: Der G-Peak ist ein Fingerabdruck von einlagigem Graphen; das Fehlen des D-Peaks deutet auf das Fehlen von Defekten hin; ein hoher und schmaler 2D-Peak weist auf eine hohe strukturelle Qualität hin und ist eine Voraussetzung für eine hohe elektronische Leistung. a) Raman-Spektren für Gr/SiO2/Si und hBN/Gr/SiO2/Si nach dem Transfer (a) und nach der Abscheidung durch PEALD (b). Bei der grünen Kurve handelt es sich um eine Referenzprobe, die durch thermische ALD auf Wasserbasis abgeschieden wurde.
Ravi Sundaram, Leiter der Abteilung Strategische F&E-Märkte bei Oxford Instruments UK, sagt: „Diese Arbeit ist ein großer Fortschritt bei einer der wichtigsten Herausforderungen bei der Herstellung von (opto)elektronischen Bauelementen aus Graphen, nämlich der Abscheidung hochwertiger Dielektrika. Wir freuen uns sehr, dass wir zu dieser organisationsübergreifenden Zusammenarbeit beigetragen haben, um die Grenzen der zerstörungsarmen plasmaunterstützten ALD von Dielektrika zu erweitern und die Integration dieser Bauelemente in praktische Anwendungen zu ermöglichen“.
Die Ergebnisse sind in der letzten Ausgabe von Advanced Materials Technologies veröffentlicht worden.
Bibliographische Angaben:
Bárbara Canto, Martin Otto, Michael J. Powell, Vitaliy Babenko, Aileen O’Mahony, Harm C. M. Knoops, Ravi S. Sundaram, Stephan Hofmann, Max C. Lemme, Daniel Neumaier
Plasma-enhanced atomic layer deposition of Al2O3 on graphene using monolayer hBN as interfacial layer
Advanced Materials Technologies, 2100489 (1-8), 2021.
DOI: https://doi.org/10.1002/admt.202100489
Tags: graphene, PEALD, ULISSES, ORIGENAL, 2D-EPL; ECOMAT, GIMMIK, Graphene Flagship
