一种制备二维纳米电子器件的标准且可靠的方法

摘要

本文旨在介绍一种标准且可靠的制备工艺，用于未来低维纳米电子器件的开发。

摘要

二维（2D）材料因其独特的性质和潜在的应用而受到广泛关注。由于二维材料的晶圆级合成仍处于初期阶段，科学家尚无法完全依赖传统半导体技术开展相关研究。从材料定位到电极定义的各个环节均需进行精细控制。本文展示了一种用于制造纳米电子器件（如二维准异质结双极晶体管（Q-HBT）和二维背栅晶体管）的通用制备流程。该流程包括材料位置确定、电子束光刻（EBL）、金属电极定义， 等还详细介绍了这些器件制备过程的逐步操作流程。此外，实验结果表明，所制备的每个器件均实现了高性能和高重复性。本研究全面描述了二维纳米电子器件的工艺流程，使各研究团队能够获取该信息，并为未来电子学的发展奠定了基础。

引言

几十年来，人类一直在经历晶体管尺寸的快速缩小，从而导致集成电路（IC）中的晶体管数量呈指数级增长。这推动了基于硅的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的持续进步¹。此外，当前器件在尺寸和性能方面的发展趋势仍符合摩尔定律，该定律指出，电子芯片上的晶体管数量及其性能大约每两年翻一番²。CMOS晶体管几乎存在于市场上所有电子设备中，因此已成为人类生活中不可或缺的一部分。正因如此，人们对芯片尺寸和性能的改进持续提出更高要求，促使制造商不断遵循摩尔定律的发展轨迹。

遗憾的是，由于在更小面积内集成更多硅基电路所产生的热量不断增加，摩尔定律似乎正接近其极限²。这促使人们亟需寻找新型材料，这些材料不仅能够提供与硅相当甚至更优的性能，同时还能实现更小尺度的器件集成。近年来，一些具有前景的新材料已成为材料科学研究的热点。一维（1D）碳纳米管^3,4,5,6,7、二维石墨烯^8,<....

方案

1. 二维准异质结晶体管的制备工艺

1. 准备商用c面蓝宝石。
   1. 用丙酮清洗整个单面抛光蓝宝石（2英寸）。
   2. 用异丙醇冲洗蓝宝石基底。
2. 培养 MoS₂ 在石英管式炉中通过化学气相沉积法于蓝宝石衬底上生长。
   1. 将0.6 g三氧化钼（MoO₃）放入₃) 粉末置于石英舟中，并将石英舟放置于管式炉加热区的中心位置。将蓝宝石衬底置于石英舟的下游紧邻位置，石英舟内含有 MoO₃ 粉末
   2. 在石英舟中单独准备硫（S）粉末，并将其置于管式炉的上游位置。反应过程中保持其温度为190 °C。
   3. 使用氩气（Ar = 70 sccm，40 Torr）气流将S和MoO₃ 在将蒸气通入蓝宝石衬底的同时，将中心区域加热至 750 °C。
   4. 在达到所需的750 °C生长温度后，保持加热区温度15分钟，然后让炉子自然冷却至室温。
3. 进行电子束光刻（EBL）。
   注意：在蓝宝石衬底上进行所有电子束光刻（EBL）工艺时，通过溅射沉积约5 nm厚的薄金层，以实现放电。
   1. 使用光学显微镜识别二硫化钼（MoS₂）单层薄膜的区域₂ 观察到单层薄片后，使用设计软件（AutoCAD）为该特定区域设计条状图案布....

结果

该器件制备工艺已应用于通讯作者多项涉及二维材料器件开发的研究中。在本部分，将展示其中一些研究的结果，以证明上述方案的有效性。第一个示例为单层横向WSe₂-MoS₂ Q-HBT²⁰。采用本方案中详述的标准器件制备流程，首先生长出单层横向WSe₂-MoS₂异质结（图2a），随后构建Q-HBT结构。在横向异质结上沉积金属电极以完成Q-HBT的制备：在MoS₂层上沉积Ti/Au电极（图2c），随后在WSe₂层上沉积Pd/Au电极（图2d）。研究人员制备了多个横向Q-HBT器件，例如具有n-p-n-p型横向异质结的器件（如图2d、2e所.......

讨论

本文展示了基于二维材料在纳米尺度上制备新型电子器件的详细步骤。由于不同应用中的样品制备流程存在差异，因此将共通的步骤归纳为标准操作流程。电子束光刻结合材料位置确定与金属电极定义，即作为本流程的核心步骤。在所提及的两类器件中，完整呈现了从将单晶MoS₂薄膜湿法转移至SiO₂/Si衬底开始，到金属剥离结束的二维背栅晶体管全过程。之所以重点关注二维背栅晶体管，是因为当前迫切需要提升基于二维材料的场效应晶体管（FETs）的性能。因此，以下段落将重点强调其制备过程中的关键要点。

实验的每个步骤都存在一些难点。首先，在将 MoS₂ 薄膜暴露于空气之前，必须先定位材料，再去除 PMMA，以避免不利的吸附现象。这种吸附是导致性能下降的原因之一。因此，转移完成后必须对样品进行烘烤，且烘烤时间应超过 30 分钟。否则，由于薄膜与介质层之间附着不良，在使用丙酮溶解 PMMA 时薄膜容易被剥离，导致目标位置的薄片消失。电子束剂量是图案化过程中的另一个关键因素。由于邻近效应，高电子束剂量不适用于电极间距较小的图案；而降低剂量则可能导致无法获得.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
电子束蒸发仪	AST	PEVA 600I
金靶材，99.99%	Well-Being Enterprise Co	N/A
钛靶材，99.99%	Well-Being Enterprise Co	N/A
电子束光刻系统	Elionix	ELS7500-EX
冷壁化学气相沉积系统	Sulfur Science	SCW600S
C面蓝宝石衬底	Summit-Tech	X171999	(0001) ± 0.2 ° 单面抛光
100 nm SiO2/Si			在NDL中制备
氨水溶液	BASF	Ammonia Solution 28% Selectipur
钼（Mo），99.95%	Summit-Tech	N/A
钨（W），99.95%	Summit-Tech	N/A
硫（S），99.5%	Sigma-Aldrich	13803
聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）	Microchem	8110788	用于转移工艺
旋涂仪	Laurell	WS 400B 6NPP LITE
丙酮	BASF	Acetone EL Selectipur
异丙醇（IPA）	BASF	2-Propanol UPS
电子束光刻用光刻胶	TOK	TDUR-P-015
等离子清洗机	Harrick Plasma	PDC-32G	氧气等离子体