Fabrication and device characterization of WSe2 field-effect transistors

The great interest towards 2D materials, arised after the isolation of graphene, led research efforts to the discovery and investigation of a multitude of layered materials. They exhibit a great variety of properties that can be exploited in different applications depending on the used materials. The most interesting 2D materials are certainly transition metal dichalcogenides (TMDCs). They are semiconductors with excellent electrical properties and therefore offer great possibilities in electronic applications, given also their low dimensionality. Tungsten diselenide (WSe2) belongs to this class of materials. It is a TMDC that, compared to others, exhibits a lower effective mass for both holes and electrons, being therefore one of the most promising TMDCs to use as a transistor channel. There are still however several challenges in the use of this material in devices, especially related to the growth of monolayers or their isolation by exfoliation. In this thesis work, performed in L-NESS laboratory in Como, WSe2 application in field-effect transistors (FET) was studied. I investigated FETs both based on WSe2 grown by chemical vapor deposition and obtained by exfoliation, using different fabrication methodologies and studying the interaction of WSe2 with two of the most commonly used dielectrics in top gates: aluminum oxide (AlOx) and hexagonal boron nitride (hBN). The aim of this investigation was to evaluate on the behavior of WSe2 for its possible applications in integrated circuits, given its promising electrical properties and low dimensionality.

Il grande interesse sviluppatosi verso i materiali bidimensionali grazie all’isolamento del grafene, ha portato la ricerca alla scoperta e all’indagine di una moltitudine di questi ultimi, con differenti applicazioni grazie alla grande varietà di proprietà che essi presentano. Tra i più interessanti troviamo i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDC), che si presentano come semiconduttori con ottime proprietà elettriche e dunque grandi possibilità nelle applicazioni elettroniche, data inoltre la loro bassa dimensionalità. Tra questi troviamo il diseleniuro di tungsteno (WSe2) che, presentando una ridotta massa efficace sia per lacune che per gli elettroni, si presenta come uno dei più promettenti TMDC nella fabbricazione dei canali dei transistor. Esistono però ancora diverse sfide nel mondo della ricerca nell’utilizzo di questo materiale, soprattutto legate alla crescita di monolayer o alla loro sintesi tramite esfoliazione, con consecutiva difficoltà di impiego nei dispositivi. Nel qui presente lavoro di tesi, sviluppato presso il laboratorio L-NESS di Como, è stata studiata l’applicazione del diseleniuro di tungsteno come canale nei transistor ad effetto di campo (FET), analizzandone il comportamento con materiale ottenuto tramite chemical vapor deposition o tramite esfoliazione, con l’utilizzo di diverse metodologie di sintesi. Lo studio è stato inoltre esteso all’interazione del WSe2 con due dei materiali più comunemente utilizzati per la fabbricazione dei top gate, quali l’ossido di alluminio (AlOx) ed il nitruro di boro esagonale (hBN). L’obiettivo di questa indagine è stato lo studio del comportamento del materiale per valutarne una possibile applicazione nei circuiti integrati, considerandone le promettenti proprietà elettriche e la sua bassa dimensionalità.