home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Grafeen-gebaseerde nanoschaal vacuümkanaaltransistor

Abstract

We rapporteren de fabricage en elektrische prestaties van vacuümkanaaltransistor op nanoschaal (NVCT) op basis van grafeen. Negentig nanometer breed vacuüm nanokanaal zou nauwkeurig kunnen worden gefabriceerd met standaard elektronenstraallithografieproces. De optimalisatie en behandeling van oppervlakteschade en lijmresten op grafeen worden uitgevoerd door ultrasone reiniging en thermisch uitgloeien. Bovendien worden in situ elektrische kenmerken direct uitgevoerd in een vacuümkamer van scanning elektronenmicroscoop (SEM) met de nanomanipulator. Door de poortspanning te moduleren, kan de NVCT worden geschakeld van uit-status naar aan-status, met een aan/uit-stroomverhouding tot 10 2 met lage werkspanningen (< 20 V) en lekstroom (< 0,5 nA). Bovendien zou het vacuümkanaal op nanoschaal het mogelijk kunnen maken om vacuümapparaten met hoge integratie te verkleinen, waardoor NVCT een veelbelovende kandidaat is voor toepassingen met hoge snelheid.

Achtergrond

Aangezien de traditionele op Si gebaseerde technologie geleidelijk de minimale beperking bereikt, zijn er veel inspanningen geleverd in de nieuwe nanostructuren of laagdimensionale materialen [1,2,3,4,5,6,7]. Onder deze prominente problemen hebben transistors die zijn samengesteld uit vacuümkanalen op nanoschaal of bekend als de nanogap, gestaag de aandacht getrokken [8,9,10]. Anders dan de vroege vacuümbuizen met een hoog stroomverbruik en moeilijkheid voor hoge integratie, zijn de nanogap-structuren meer toekomstgericht voor de moderne nano-elektronica. Bij conventionele veldeffecttransistoren (FET's) kunnen de dragers tijdens het transport in botsing komen met de optische en akoestische fononen. Ook bleken intrinsieke op grafeen gebaseerde FET's een aan-uit stroomverhouding van minder dan 10 te hebben vanwege het ontbreken van een bandgap, die niet geschikt zijn voor moderne geïntegreerde logische circuits. Intrinsiek zouden elektronen ballistisch door het vacuümkanaal op nanoschaal kunnen reizen terwijl ze lijden aan botsing of verstrooiing in de halfgeleiders. En de vacuüm-nano-apparaten kunnen compatibel zijn met het standaard siliciumproces en de voordelen van ballistisch transport combineren met miniaturisatie en integratie. De vacuümkanaaltransistoren op nanoschaal (NVCT's) kunnen dus een hoge frequentie [9, 11], aan / uit-verhouding [12] of een snelle tijdelijke respons [13] met een lage werkspanning uitvoeren. Wat nog belangrijker is, het is bewezen dat de NVCT de voordelen behoudt van de traditionele vacuümbuizen die normaal werken in de extreme omstandigheden, zoals blootstelling aan ioniserende straling of hoge temperaturen [8]. De ontwikkeling van productietechnologie kan enorme kansen bieden voor het creëren van vacuümkanalen op nanoschaal, die mogelijk compatibel zijn met moderne geïntegreerde schakelingen (IC).

Als resultaat zijn er veel pogingen gedaan om het vacuümkanaal te verkleinen tot nanogap en drie terminale knooppunten te construeren. De verticale structuur werd bijvoorbeeld veel gebruikt in de traditionele elektronische vacuümapparaten [14, 15]. Onderzoekers hebben verschillende soorten verticale NVCT's voorgesteld, waarbij de elektronen direct uit het vlak kunnen emitteren, bijvoorbeeld de vacuümtransistor van het spleettype [16] of de NVCT van het Spindt-type [17]. De verticale structuur zou echter nauwelijks compatibel kunnen zijn met het CMOS-proces. Vergeleken met de structuur van boven naar beneden, zijn de vlakke NVCT's meer prospectief voor toekomstige integratie, aangezien de nanogap variabel is met maskerlay-out, inclusief elektronenstraallithografie (EBL) [18], gefocusseerde ionenstraal (FIB) [19] of nano-imprinting [20 ]. Onlangs zijn vacuümtransistoren van het vlakke type met nanogap-kanaal vervaardigd met traditionele halfgeleiderverwerking. Meyyappan et al. demonstreerde een back-gate vacuüm nanokanaaltransistor met standaard siliciumhalfgeleiderverwerking, met hoogfrequente schakelkarakteristieken met verwaarloosbare lekstroom [9]. Om de bestuurbaarheid van de poort te verbeteren, hebben ze verder een surround-gate NVCT gefabriceerd die bestaat uit een vacuümkanaal van minder dan 50 nm, en het apparaat bleek bestand te zijn tegen ioniserende straling (proton- en gammastraling) en hoge temperaturen (200 ° C) [8]. Wei et al. heeft met succes een op grafeen gebaseerde vacuümtransistor gefabriceerd met betere elektrische prestaties dan die op grafeen gebaseerde solid-state transistors. Met een superieure aan/uit stroomverhouding en lage werkspanningen, wordt verwacht dat de grafeen NVCT zal worden toegepast in zware omgevingen zoals elektromagnetische straling of extreme temperaturen [12]. Ons eerdere werk fabriceerde ook nauwkeurig sub-30 nm uitgelijnde nanogap-arrays met een goed gecontroleerd proces [21]. De experimentele resultaten hierboven geven aan dat de vacuüm-nano-apparaten, bestaande uit het vacuümkanaal op nanoschaal, de voordelen hebben van een hoge responssnelheid, lage bedrijfsspanning en superieure schakelprestaties en, belangrijker nog, compatibel zouden kunnen zijn met het standaard siliciumproces en de voordelen van ballistisch transport met miniaturisatie en integratie. In het bijzonder kan het nanokanaal dat kleiner is dan het gemiddelde vrije pad van elektronen zich als vacuüm gedragen zonder verstrooiing of botsing. De NVCT kan dus functioneren in een laagvacuümomgeving of zelfs in een atmosfeer, wat de weg vrijmaakt voor een nieuwe generatie hoogwaardige, snelle en goedkope vacuümelektronische apparaten.

Hier rapporteren we over de fabricage van een op grafeen gebaseerde NVCT met behulp van een geoptimaliseerde natte overdrachtsmethode en standaard EBL-verwerking. Er is een vacuüm nanokanaal van 90 nm bereikt met een back-gate-structuur, die het elektrische veld van het emitterende gebied en de elektronentransmissie door emitter naar collector zou kunnen moduleren. In situ elektrische karakteristieken worden uitgevoerd in de vacuümkamer van de scanning elektronenmicroscoop (SEM) met een nanomanipulator, die de basisfunctionaliteit toont met een hoge aan/uit stroomverhouding, lage werkspanning en lekstroom. Belangrijk is dat we van mening zijn dat verdere verkleining van de kanaalgrootte zou kunnen voldoen aan hoge snelheid, hoge betrouwbaarheid en goedkope toepassingen voor moderne elektronica.

Methoden

Natte overdracht

In dit rapport werd grootschalige grafeen rechtstreeks op de Cu-folie gekweekt door thermische chemische dampafzetting (CVD) bij 1020 ° C met CH4 (20 sccm) en H2 (40 sccm) [22]. Onder verschillende overdrachtstechnieken voor CVD-gegroeid grafeen, is de reguliere methode de chemische overdracht met PMMA als steunlaag. Eerst werd een PMMA-laag op de grafeen / Cu-film gespincoat en gedurende 5 minuten bij 100 ° C gebakken om PMMA te laten stollen. Na het etsen in de FeCl3 :HCl:H2 O-oplossing (molaire massaverhouding van 1:1:1) gedurende 90 minuten, de resterende PMMA / grafeenfilm werd overgebracht en gedurende 5 minuten in gedeïoniseerd water gedrenkt. Deze reinigingsbewerking werd vier of vijf keer herhaald om het residu van de etsoplossing volledig te verwijderen. Vervolgens werd de PMMA/grafeenfilm overgebracht naar de SiO2 /Si-substraten en gedurende 5 minuten bij 100 ° C gedroogd, waarbij het resterende water tussen het membraan en het substraat wordt verwijderd. Ten slotte werd het monster een uur in de acetonoplossing geweekt om de PMMA-draaglaag te verwijderen.

We hebben echter vastgesteld dat het traditionele natte overdrachtsproces kan leiden tot scheuren of rimpels op het grafeenoppervlak met massieve PMMA-resten, wat de elektrische prestaties daarna sterk kan beïnvloeden. Als resultaat hebben we de echografie [23] verder gebruikt om de SiO2 . te reinigen /Si-substraten met een nagloeiproces op basis van de traditionele natte overdrachtsmethode, zoals weergegeven in Fig. 1. Gecombineerd met 1 uur ultrasone behandeling (vermogen van 100 W en frequentie van 50 Hz), zowel hydrofiliciteit als vlakheid van het substraat waren verbeterd, dat een grafeenmembraan van 2 cm  ×  2 cm continu naar het substraat kon worden overgebracht (figuur 2a). Daarnaast introduceren we een post-thermisch gloeiproces [24, 25] om het PMMA-residu effectief te verwijderen, met een mengstroom van Ar2 (100 sccm) en H2 (40 sccm) bij 300 ° C gedurende 3 uur. De details en bespreking van het optimalisatieproces worden weergegeven in Aanvullend bestand 1.

Processen voor chemische overdracht van grafeen zonder gloeien in reducerende atmosfeer. De inzetstukken zijn de optische foto's van grafeen overgebracht op SiO2 /Si substraat met (rechts) of zonder (links) gloeien, respectievelijk

Optische foto van een 2 × 2 cm 2 grafeen op SiO2 /Si-substraat (a ). SEM-afbeelding van het overgebrachte grafeen (b ). Typisch Raman-spectrum dat de basiskenmerken van grafeen toont (c )

Figuur 2a toont duidelijk de optische foto van de geproduceerde grafeenfilm van 2 cm × 2 cm op SiO2 /Si-substraat, wat de uitstekende transparantie van grafeen aangeeft. Het grafeen/SiO2 werd gekenmerkt door veldemissie scanning elektronenmicroscoop (Quanta 200 FEI), zoals wordt getoond in Fig. 2b. Het SEM-beeld laat zien dat het grafeen continu en uniform op het substraat werd overgebracht met weinig scheuren of alikruiken. Bovendien wordt Raman-spectroscopie (514-nm laserexcitatie) vaak gebruikt om de kwaliteit van het overgedragen grafeen te evalueren. Afbeelding 2c toont het typische Raman-spectrum van het grafeen op SiO2 /Si-substraat. Met onopvallende D-piek op 1349 cm −1 , konden de G- en 2D-pieken duidelijk worden waargenomen bij 1587 en 2685 cm −1 met een 2D/G-verhouding van 2,19. De lage intensiteit van de D-piek toont aan dat er tijdens het overdrachtsproces weinig extra defecten werden gegenereerd. De 2D-piek is smal met verhouding IG /I2D lager dan 0,5, wat de basiskenmerken van enkellaags grafeen aangeeft. De Raman-spectrumresultaten laten een hoge kwaliteit en continuïteit van het grafeen zien met onze geoptimaliseerde chemische overdrachtsmethode.

Vervaardiging van op grafeen gebaseerde vacuümkanaaltransistor op nanoschaal

Figuur 3 illustreert het proces van het fabriceren van op grafeen gebaseerde vacuümkanaaltransistor op nanoschaal. Ten eerste, de 100-nm SiO2 isolator werd afgezet door de PECVD-methode (plasma-enhanced chemical vapour deposition), waarbij grafeenchemicalie vervolgens op het substraat werd overgebracht. Gouden contacten werden op grafeen afgezet door elektronenbundelverdamping (5 nm Cr en 80 nm Au) met een daaropvolgend lanceringsproces. Na PMMA spincoating op het oppervlak van grafeen, werd het nano-vacuümkanaal gevormd door standaard EBL (Vistec, EBPG 5000plus ES) met een gevolgde O2 -plasma-etsen. De nanogaps werden gepositioneerd om het grafeenmembraan in twee helften te snijden. De monsters werden gereinigd met respectievelijk aceton, isopropylalcohol en gedeïoniseerd water. Ten slotte werden de monsters verwerkt via 1 uur gloeien bij 300 ° C met de stroom waterstof (40 sccm) en argon (100 sccm). Afbeelding 4a toont het SEM-beeld van op grafeen gebaseerde NVCT, met Au-contacten aan beide zijden van grafeenemitter en -collector. En Fig. 4b toont een inzoomen van de NVCT, met een vacuümkanaal van ongeveer 90 nm breed dat de elektronen in staat stelt ballistisch door de nanogap te transporteren.

Schematisch diagram van het fabricageproces van de op grafeen gebaseerde vacuümkanaaltransistor op nanoschaal

SEM-afbeelding van op grafeen gebaseerde NVCT met Au-contacten (a ). Een zoom-in van het ~ 90 nm vacuümkanaal (b )

Resultaten en discussie

Om het mechanisme van elektronentransport door het vacuüm nanokanaal te bestuderen, worden de in-situ veldemissiemetingen uitgevoerd met een nanomanipulator in de vacuümkamer van SEM (basisdruk van ~ 10 −4 Pa), zoals weergegeven in Fig. 5a. Het nanomanipulatorsysteem is ontwikkeld voor de realtime observatie en meting van veldemissie in een vacuümomgeving, die kan worden beschouwd als het sondestation in de SEM-kamer en waarmee de monsters kunnen worden gelokaliseerd of getest. Ook zou de in-situ-testmethode de elektrische eigenschappen van de op grafeen gebaseerde NVCT objectiever kunnen weerspiegelen en het ontwerp van de nanogap-structuur beter kunnen dienen. De nanomanipulator is uitgerust met cilindervormige wolfraammicrotips en verbonden met de Keithely 2400 digitale bronmeeteenheid. Om vacuümafbraak en schade aan grafeen te voorkomen, werd tijdens het testproces een stroomlimiet van 10 μA opgelegd. Er werd een afwijking aangebracht tussen de gescheiden grafeenfilms en handmatig verhoogd bij een spanningsstap van 0,1 V, zodat de elektronen lateraal vanaf de grafeenranden worden geëmitteerd.

In-situ veldemissiemeting van de op grafeen gebaseerde vacuüm nanokanaaltransistor (a ). Banddiagram van op grafeen gebaseerde NVCT bij V g < V drempel en V g> V drempel (b , c )

Figuur 5b, c toont het banddiagram van op grafeen gebaseerde NVCT in respectievelijk aan- en uit-toestanden. Over het algemeen zou de poortspanning die aan de achterpoort wordt aangelegd, de vacuümbarrière tussen emitter en collector kunnen moduleren. Wanneer de poortspanning lager is dan de drempelspanning, is de barrière te breed om veldtunneling voor laagenergetische elektronen te voorkomen. Ook kunnen de elektronen verstrooid worden door de onzuiverheden op de SiO2 oppervlak en gevangen in de nadelen van de zender. Naarmate de poortspanning boven de drempelspanning stijgt, wordt de breedte van de barrière dienovereenkomstig gecomprimeerd. De elektronen zouden de versmalde barrière kunnen overwinnen via de F-N-tunneling, wat leidt tot de on-state van de NVCT. Bovendien kan de afstembaarheid van de grafeen-energieband door poortspanning een andere bijdrage zijn, aangezien de elektrische geleidbaarheid van enkellaags grafeen kan worden gemoduleerd door poortspanning. Naarmate de poortspanning toeneemt, wordt het Fermi-niveau EF verschuif naar de geleidingsband en verbeter zo de elektronendichtheid van het grafeenoppervlak en verbeter de emissiestroom.

Om de elektrische eigenschappen verder te onderzoeken en de toepassingen van op grafeen gebaseerde NVCT uit te breiden, is de output (Vc vs. Ic ) en overzetten (Vg vs. Ic ) kenmerken worden onderzocht, zoals wordt getoond in respectievelijk Fig. 6a, b. Net als bij de typische op grafeen gebaseerde veldeffecttransistoren (FET's), kan de op grafeen gebaseerde NVCT worden gemoduleerd in off-state of on-state door de poortspanning. Afbeelding 6a illustreert de typische uitgangskarakteristiek met gate-spanning V g toenemend van 0 naar 15 V. Het valt op dat er geen duidelijke elektronenemissie I c werden gemeten toen V g lager is dan de drempelspanning, wat aangeeft dat de NVCT in de uit-stand staat. Als de V g de drempelspanning stijgt en overschrijdt, schakelt de NVCT over naar de aan-status die I c vertonen een exponentiële groei met collectorspanning V c . De overdrachtskarakteristiek met V c = 7,5 V wordt weergegeven in Fig. 6b in respectievelijk voering (rode lijn) en exponentiële (zwarte lijn). We kunnen zien dat de drempelspanning ongeveer 6 V is met een vaste collectorspanning van 7,5 V, en I c groeit snel wanneer V g groter is dan de drempelspanning. Ook vertonen de curven op exponentiële schaal (zwarte lijn) een aan/uit-verhouding van meer dan 10 2 , die superieur is aan de intrinsieke grafeen-FET's vanwege het ontbreken van bandgap. Wei et al. veronderstelt dat de elektronenemissie-eigenschappen gerelateerd zijn aan de oppervlaktetopografie van grafeen of de afstand van emitter tot collector [12]. Het verder verkleinen van de nanogap-breedte of het aanpassen van de structuur kan het dus mogelijk maken om de aan/uit-stroomverhouding en elektronenemissie te verbeteren.

De uitvoerkarakteristieken met Vg van 0 tot 15 V (a ). De overdrachtskenmerken vertonen een aan/uit-verhouding van meer dan 10 2 (b ). Lekstroom van op grafeen gebaseerde NVCT (c ). Stabiliteitstest bij verschillende vacuümgraden (d ). De inzet toont de veranderingen in de oppervlaktegeometrie na stabiel testen

Om de mogelijkheid van elektronenemissie door de isolator uit te sluiten, detecteren we ook de lekstroom tijdens de meting. Er wordt een lage en verwaarloosbare lekstroom (minder dan 0,5 nA) waargenomen, dankzij de 100 nm dikke SiO2 isolator. Bij een achterpoortstructuur speelt de isolator echter een cruciale rol in het apparaat. Een dunne isolator zou het modulatievermogen van de achterpoort kunnen verbeteren, terwijl de isolator sterk genoeg moet zijn om uitval te voorkomen. Dientengevolge, optimalisatie van het isolatiemateriaal om de dikte te verminderen en de doorslagsterkte te verbeteren, bijvoorbeeld door gebruik te maken van Al2 O3 of HfO2 als de high-k gate-isolator [26,27,28,29,30,31], zou inderdaad de elektrische prestaties van de NVCT kunnen verbeteren. Bovendien wordt de stabiliteitstest van de NVCT bij verschillende vacuümgraden getoond in figuur 6d met een vaste collector- en poortspanning ingesteld op respectievelijk 7,5 V en 15 V. Met de hoge thermische geleidbaarheid van grafeen wordt de afname van emissiestroom veroorzaakt door Joule-verwarming verzwakt, zonder duidelijke degradatie en fluctuatie bij een vacuümgraad van ~ 10 −4 Pa. Er wordt echter een langzame stroomafname waargenomen in laag vacuüm (~ 10 −1 Vader). De inzet vertoont duidelijk de breuk en scheuren op het grafeenoppervlak na stabiliteitstest. Er wordt aangenomen dat de Joule-warmte aggregeert bij de grafeenemitter en de oppervlaktemorfologie beschadigt, wat leidt tot de degradatie van de emissiestroom in laag vacuüm [32, 33]. We hopen dat het in het verdere werk kan worden opgelost, zodat het toepassingsgebied en de gelegenheid van de op grafeen gebaseerde NVCT worden vergroot.

Om de prestaties van vacuümkanaaltransistors op nanoschaal te vergelijken op basis van verschillende typen of materialen, worden de kanaalbreedte, bedrijfsspanning, werkstroom, aan/uit-verhouding, poortstroom en stabiliteitstest vermeld in tabel 1. Het is duidelijk dat het op Si gebaseerde vacuüm kanaaltransistors (back-gate en gate-all-round) illustreren betere prestaties dan de op grafeen gebaseerde apparaten. Door de poortstroom te vergelijken, kan worden gezien dat het energieverbruik van onze op grafeen gebaseerde NVCT superieur is aan die van andere apparaten. Ondertussen kan het vacuümkanaal met een breedte van 90 nm het mogelijk maken om de grootte van vacuümapparaten te verkleinen en on-chip NVCT te vervullen met meerdere functionaliteiten. De prestaties van de aan / uit-verhouding of werkstroom van ons apparaat lopen echter ver achter bij andere structuren en moeten nog verder worden verbeterd bij de optimalisatie van het fabricageproces en de structuurparameters. We hopen dat het in een toekomstige publicatie kan worden gepresenteerd.

Conclusie

Concluderend werd een op grafeen gebaseerde NVCT met succes gefabriceerd met het standaard CMOS-proces. We hebben de echografie gebruikt om de SiO2 . te reinigen /Si-substraten met een nagloeiproces op basis van de traditionele natte overdrachtsmethode waarmee een grafeenmembraan van 2 cm  ×  2 cm continu op het substraat kan worden overgebracht. De elektrische eigenschappen van NVCT werden onderzocht. Door de poortspanning te moduleren, kan de NVCT worden geschakeld van uit-status naar aan-status, met een aan/uit-stroomverhouding tot 10 2 met lage werkspanningen (< 20 V) en lekstroom (< 0,5 nA). Verdere verbetering van de op grafeen gebaseerde NVCT door structuuroptimalisatie kan de weg vrijmaken voor toepassingen met hoge snelheid, hoge betrouwbaarheid en lage kosten voor moderne vacuüm-nano-elektronica.

Afkortingen

CVD:

Chemische dampafzetting

EBL:

Elektronenbundellithografie

FET:

Veldeffecttransistor

FIB:

Gefocuste ionenstraal

IC:

Geïntegreerde schakeling

NVCT:

Nanoschaal vacuümkanaaltransistor

PECVD:

Plasma-versterkte chemische dampafzetting

PMMA:

Polymethylmethacrylaat

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Transistor als switch
    2. Uitputtingstype IGFET's
    3. IGBT's
    4. De Unijunction Transistor (UJT)
    5. Stofzuiger
    6. IBM-wetenschappers vinden een thermometer uit voor de nanoschaal
    7. Wat is vacuümvormen?
    8. BC558 Transistor: Alles wat u moet weten 
    9. Lekken in vacuümsystemen identificeren
    10. Oliedichte versus droge vacuümpompen
    11. Soorten industriële vacuümpompen