二維(2D)過(guò)渡金屬二硫族化合物(TMDCs)在光學(xué)、電子學(xué)、催化和能量存儲(chǔ)方面的應(yīng)用是研究的熱點(diǎn)。當(dāng)封裝在沒(méi)有電荷無(wú)序的環(huán)境中時(shí)，它們的光學(xué)和電子性質(zhì)可以顯著增強(qiáng)。因?yàn)榱降?h-BN)是原子級(jí)薄的、高度結(jié)晶的并且是強(qiáng)絕緣體，所以它是封裝和鈍化TMDCs常用的2D材料之一。在這份報(bào)告中，我們研究了超薄氮化硼如何屏蔽底層金屬氧化物半導(dǎo)體在半導(dǎo)體器件制造和后處理過(guò)程中通常使用的高能氬等離子體的TMDCs層。像差校正的掃描透射電子顯微鏡用于分析h-BN和MoS₂中的缺陷形成這些觀察結(jié)果與拉曼光譜和光致發(fā)光光譜相關(guān)。我們的結(jié)果強(qiáng)調(diào)了h-BN對(duì)于短時(shí)間的等離子體暴露(< 30秒)是有效的阻擋層，但是對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的暴露是無(wú)效的，長(zhǎng)時(shí)間的暴露會(huì)在下面的MoS₂中導(dǎo)致廣泛的碰撞損傷和非晶化.

將層狀范德瓦爾斯晶體分離成原子級(jí)薄的二維(2D)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了對(duì)凝聚態(tài)物理的重要新認(rèn)識(shí)，^1,2這又導(dǎo)致了全新的電子設(shè)備設(shè)計(jì)。^3,4在這些系統(tǒng)的合成路線、基本物理現(xiàn)象和器件特性的研究上已經(jīng)花費(fèi)了大量的努力。然而，對(duì)設(shè)備處理的關(guān)注較少。最終，所有2D材料的應(yīng)用都需要對(duì)晶體質(zhì)量、厚度(層數(shù))以及器件加工條件進(jìn)行精確控制。在這種背景下，我們提出了一個(gè)與微電子學(xué)中普遍存在的工藝相關(guān)的古老而相關(guān)的問(wèn)題：等離子體處理。

等離子體處理廣泛用于清潔、功能化和鈍化表面，以及蝕刻材料。^5–11從石墨烯器件研究的早期開(kāi)始，它就被應(yīng)用于2D材料。^12–15然而，人們很快意識(shí)到高能等離子體會(huì)影響2D材料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性，從而降低電子設(shè)備中的橫向傳輸。^16–18因此，需要高質(zhì)量、穩(wěn)定且可擴(kuò)展的封裝材料來(lái)保護(hù)2D器件通道，這也是研究的目標(biāo)。然而，尚不清楚等離子體處理是否導(dǎo)致封裝層中的電荷結(jié)合，這降低了結(jié)構(gòu)完整的2D材料中的載流子傳輸，或者是否直接損壞了材料。在這些情況下，通常使用電荷傳輸測(cè)量來(lái)推斷缺陷形成的作用，但是傳輸測(cè)量?jī)H提供缺陷引入的間接證據(jù)。這些事實(shí)促使我們使用直接方法來(lái)探索等離子體蝕刻條件如何影響封裝層和有源溝道。

在所有高性能2D半導(dǎo)體器件中，隔離或封裝有源半導(dǎo)體層以限制電荷不均勻性和暴露于加工化學(xué)品是至關(guān)重要的。需要封裝來(lái)保護(hù)電子器件，例如晶體管和光電器件，晶體管的溝道埋在電介質(zhì)絕緣體下，光電器件的結(jié)埋在觸點(diǎn)和阻擋層下。電荷不均勻性是由俘獲電荷、懸掛鍵和離子鍵的偶極子造成的，所有這些都阻礙了電子傳輸并抑制了2D層中的輻射復(fù)合。有機(jī)層(聚合物)和平的、高度結(jié)晶的、幾乎共價(jià)的材料，例如六方氮化硼(h-BN)¹⁹已經(jīng)證明是2D通道和活性層的有效基底和密封劑。^20–22然而，聚合物和有機(jī)小分子容易受到熱損傷，并且在暴露于溶劑時(shí)會(huì)膨脹和溶解。這意味著它們不適合作為半導(dǎo)體器件制造和加工過(guò)程中的密封劑。然而，h-BN具有高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，使其成為潛在的優(yōu)良密封劑。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于h-BN封裝的石墨烯和2D半導(dǎo)體器件的直接生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移的幾種方案。^23–26在這些研究中，光刻后蝕刻步驟對(duì)于限定通道和接觸是BBKS少的。盡管一些研究假設(shè)h-BN足以保護(hù)下面的活性2D層，^27–30還沒(méi)有系統(tǒng)的研究提供其有效性的機(jī)制。在這項(xiàng)研究中，我們對(duì)h-BN層作為密封劑的功效進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。我們將光譜學(xué)和原子分辨率成像分析相關(guān)聯(lián)，以理解等離子體劑量變化、連續(xù)等離子體暴露、密封劑和底層厚度如何影響損傷累積率。

機(jī)械剝離2D MoS₂如別處所述，使用常規(guī)透明膠帶法制備層。³¹有意選擇剝離層的厚度，使得每個(gè)樣品可以重復(fù)進(jìn)行多次分析。通過(guò)使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模的干轉(zhuǎn)移技術(shù)，將剝離的h-BN和MoS₂層轉(zhuǎn)移到SiO2/Si襯底上。干轉(zhuǎn)移技術(shù)使用電動(dòng)顯微操作臺(tái)(X-Y-Z軸)，連接光學(xué)顯微鏡和自制加熱臺(tái)（基于熱電材料）。在將MoS₂層轉(zhuǎn)移到SiO2/Si襯底上之后，樣品在石英管爐中的封閉氣體（Ar?+?H2）環(huán)境中，以去除所有PDMS污染物。在300℃溫度下退火4小時(shí)，以清除污染物并釋放在基于壓力的干轉(zhuǎn)移方法中產(chǎn)生的應(yīng)變。值得注意的是，2H相MoS₂在300°C的還原性氣氛中極其穩(wěn)定。這已經(jīng)被先前幾個(gè)研究證實(shí)，并且在我們選擇的退火溫度下沒(méi)有觀察到結(jié)構(gòu)相變或缺陷形成的證據(jù)。^32,33同樣地，將h-BN和MoS₂層轉(zhuǎn)移到專用SiNx TEM網(wǎng)格（Norcada股份有限公司，直徑為100μm 的孔 3×3陣列）并以相同的方式退火，以在照射和隨后的掃描透射電子顯微鏡（STEM）表征之前去除 PDMS 污染 。這里使用兩種不同的等離子體輻照系統(tǒng)，在不同的曝光時(shí)間下處理不同的樣品。在 所有等離子體暴露分析均使用超純氬氣 (99.995%)。專用的等離子清潔系統(tǒng)可用于固定 TEM 支架，這樣我們就可以在將 TEM 網(wǎng)格安裝到 TEM 支架上，對(duì)樣品進(jìn)行多次曝光處理。TEM 分析（TEM 網(wǎng)格上的樣品）與拉曼分析（SiO2/Si 襯底上的樣品）的等離子體暴露時(shí)間不同，因?yàn)楦鶕?jù)可用配置，兩個(gè)系統(tǒng)中樣品距等離子體源的定位距離不同。

拉曼光譜以及光致發(fā)光測(cè)量使用LabRAM HR Evolution HORIBA系統(tǒng)進(jìn)行。使用光斑尺寸約 0.5μm、激光功率 1% 的 633 nm 激光對(duì) h-BN 和 MoS₂ 層進(jìn)行診斷缺陷相關(guān)分析。在本例中，PL 分析使用 405nm 激光，激光功率為 0.1% (0.25μW)，采集時(shí)間為 1s。使用美國(guó)Olympus的光學(xué)顯微鏡對(duì)等離子體處理前后的所有樣品進(jìn)行捕獲和分析。等離子體清洗機(jī)（Tergeo Plasma Cleaner）在 0.35Torr 基礎(chǔ)真空環(huán)境下使用 65sccm 的 Ar（99.995% 純度）流量和 50W 射頻功率。在專用TEM等離子體清潔系統(tǒng)(Gatan，Solarus 950)的情況下使用相同的參數(shù)。高角度環(huán)形暗場(chǎng)(HAADF)-STEM已用于直接觀察所有樣品的缺陷演變。 所有樣品均使用經(jīng)過(guò)像差校正的 JEOL NEOARM STEM，其加速電壓為 200kV，會(huì)聚角為 25-29mrad。對(duì)于 JEOL NEOARM STEM，聚光鏡孔徑為 40μm，成像相機(jī)長(zhǎng)度為 4cm，探頭電流為 120pA。所有捕獲的 STEM 圖像均使用 Gatan gms 軟件和相關(guān)的 Gatan 明場(chǎng)和高角度環(huán)形暗場(chǎng)探測(cè)器收集。 使用 imagej 中提供的自適應(yīng)高斯模糊函數(shù)（半徑為 1-2 像素）對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的 STEM 圖像進(jìn)行平滑處理。

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