Waiting
登录处理中...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

En Standard og pålidelig metode til at fremstille todimensionale nanoelektronik

Published: August 28, 2018 doi: 10.3791/57885
Automatic Translation
1, 1,2, 1,2, 1,2
1Department of Physics, National Taiwan Normal University, 2National Applied Research Laboratories (NARL), National Nano Device Laboratories (NDL)

Summary

Artiklen har til formål at indføre en standard og pålidelige fabrikation procedure for udviklingen af fremtidige lav dimensionelle nanoelektronik.

Abstract

Todimensionale (2D) materialer har tiltrukket stor opmærksomhed på grund af deres unikke egenskaber og potentielle anvendelsesmuligheder. Da wafer skala syntesen af 2D materialer er stadig i spirende stadier, stole forskerne ikke fuldt på traditionelle semiconductor teknikker til forskning. Delikat processer fra at finde materialer til elektrode definition skal kontrolleres godt. I denne artikel kræves en universal fabrikation protokol i fremstilling nanoskala elektronik, såsom 2D kvasi-heterojunction bipolære transistorer (Q-HBT) og 2D back-gated transistorer er påvist. Denne protokol omfatter bestemmelse af materielle position, elektron beam litografi (kvægleukose), metal elektrode definition, mfl. En trin for trin fortælling af fabrikation procedurer for disse enheder er også præsenteret. Resultaterne viser endvidere, at hver af de fremstillede enheder har opnået høj ydeevne med høj repeterbarhed. Dette arbejde afslører en omfattende beskrivelse af procesforløbet for at forberede 2D nano-elektronik, giver mulighed for forskningsgrupper at få adgang til disse oplysninger, og bane vejen mod fremtidige elektronik.

Introduction

Siden tidligere årtier, har menneskeheden oplevet hurtige nedskalere i størrelsen af transistorer, og dermed en eksponentiel stigning i antallet af transistorer i integrerede kredsløb (ICs). Dette fastholder de fortsatte fremskridt af silicium-baserede komplementær metal-oxid halvleder (CMOS) teknologi1. Desuden, denne tendensen i størrelse og ydeevne af opdigtet enheder er stadig på-spor med Moores lov, hvori det hedder, at antallet af transistorer på elektroniske chips, samt deres ydeevne, fordobler omtrent hver to år2. CMOS transistorer er til stede i de fleste, hvis ikke alle, af de elektroniske enheder i markedet og dermed gøre det en integreret del af menneskers liv. På grund af dette er der løbende krav om forbedringer i chip størrelse og ydelse, som har presser producenterne til at holder følgende Moore's law spor.

Desværre synes Moores lov at nærmer sig sin afslutning på grund af mængden af varme, der genereres som mere silicium kredsløb er presset ind i et lille område2. Dette kræver nye typer af materialer, der kan give det samme, hvis ikke bedre, ydeevne som silicium og på samme tid, kan gennemføres i en relativt mindre skala. For nylig, nye lovende materialer har været genstand for mange materiallære forsker. Sådanne materialer som endimensional (1D) kulstof nanorør3,4,5,6,7, 2D graphene8,9,10, 11 , 12, og overgangen metal dichalcogenides (TMDs)13,14,15,16,17,18, er gode kandidater, der kan bruges som erstatte silicium-baserede CMOS og fortsætte den Moores lov spor.

Fabrikation af mindre enheder kræver omhyggelig bestemmelse af materialets placering med held videre til de andre fabrication teknikker som litografi og metal elektrode definition. Så var metoden præsenteres i dette dokument designet til at løse dette behov. Sammenlignet med traditionelle semiconductor fabrication teknikker19, er tilgang præsenteres i dette papir skrædder-monteret til udviklingen af små enheder, som kræver mere opmærksomhed med hensyn til at finde placeringen af materialet. Formålet med denne metode er at pålideligt fremstille 2D nanomateriale enheder, såsom 2D back-gated transistorer og Q-HBTs, ved hjælp af standard fabrication processer. Dette kan tjene som en platform for fremtidige nanodevice udvikling som det baner vej for produktionen af fremtidige avancerede nanoskala enheder.

I afsnittet procedure er fabrication processer for 2D materialer-baserede enheder nemlig, Q-HBT og 2D back-gated transistor drøftet i detaljer. Elektron beam mønstre kombineret med materielle placering beslutsomhed og metal elektrode definition omfatter protokollen, da de er nødvendige i begge nævnte processer. Del 1 beskriver den trinvise fabrikationsproces Q-HBTs20; og del 2 viser en universel tilgang for at opnå kemisk damp deposition (CVD) molybdæn disulfid (MoS2) back-gated transistorer fra overførsel til lift-off21, som har været helt vist i artiklen. Den detaljerede procesforløb illustreres i (figur 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 2D kvasi-heterojunction transistorer fabrikationsproces

  1. Forberede kommercielle c-plane sapphire.
    1. Vaske helt enkelt-side poleret sapphire (2 tommers) med acetone.
    2. Skyl safir bærematerialet med isopropylalkohol.
  2. Vokse MoS2 på safir substrat ved hjælp af CVD i en varm væg ovn.
    1. Sted 0,6 g af molybdæn trioxid (MoO3) pulver i en kvarts båd ligger på varmen zone midt i ovnen. Læg den safir substrat nedstrøms siden kvarts båden indeholdende MoO3 pulver.
    2. Forberede svovl (S) pulver i en separat kvarts båd på den opstrøms side af ovnen. Fastholde sin temperatur på 190 ° C under reaktionen.
    3. Bruge argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flow til at bringe S og MoO3 dampe til safir underlaget mens varme zonen center til 750 ° C.
    4. Holde den varme zone, efter at have nået den ønskede vækst temperatur af 750 ° C i 15 min og derefter naturligvis køle ned ovn til stuetemperatur.
  3. Udføre kvægleukose.
    Bemærk: En tynd Au omkring 5 nm blev deponeret ved sputtering for tømning under alle kvægleukose processer på safir substrat
    1. Identificere, ved hjælp af et optisk mikroskop, et område, hvor MoS2 éncellelag flager overholdes, og derefter designe layoutet stribe mønster for dette specifikke område ved hjælp af et design software (AutoCAD).
    2. Spin-coat photoresist (PR), for eksempel polymethylmethacrylat (PMMA) eller P015, på toppen af prøven ved 2000 rpm for 60 s (stuetemperatur). Sikre, at PR har dækket hele prøven efter spin coating.
    3. Prøven (blød bage) opvarmes til 100 ° C til 90 sek fordamper opløsningsmidler i PR og forbedre vedhæftningen.
    4. Konvertere mønster layout i trin 1.3.1 til en bestemt fil (eksempel: GDS-fil), og uploade det i kvægleukose software.
    5. Bestemme den ideelle dosis af elektronstråle baseret på bredden af linjerne i layoutet.
      Bemærk: For linjebredde smallere end 1 µm, den ideelle dosis af elektronstråle er 110 Μchiler/cm2; for 1 til 5 µm stregtykkelse er dosis 100 Μchiler/cm2; og for linjebredde er bredere end 5 µm, dosis er 80 Μchiler/cm2.
    6. Begynde at udsætte prøven til elektronstråle.
    7. Anvend efterfølgende bages (PEB) på prøve efter eksponering for at reducere stående bølge-effekter. Opvarmes prøven ved 120 ° C til 90 s.
    8. Bruge tetramethylammonium hydroxid (TMAH) 2,38% som udvikler. Fordyb prøven til TMAH for 80 s. vaskes ud TMAH med 200 mL deioniseret vand for 10 s.
    9. Undersøge, om mønsteret, der er udviklet af Optisk mikroskopi.
    10. Udføre hårdt bages til at slippe af med ekstra vand i PR. varme prøve på 110 ° C til 90 s.
  4. Definere de stribe strukturer ved hjælp af 50 W ilt (O2) plasma radering (1st ætsning) for 30 s til 2 min og fjern PR med 50 mL acetone.
  5. Vokse wolfram diselenide (WSe2) ved hjælp af CVD på destinationsplaceringen, hvilket vil resultere i en foretrukne vækst af WSe2 lag mellem de allerede eksisterende MoS2 striber på den safir substrat.
    1. Sted 0,6 g af wolfram trioxid (WO3) pulver i en kvarts båd ligger på varmen zone midt i ovnen. Læg den safir substrat nedstrøms siden kvarts båden indeholdende WO3 pulver.
    2. Forberede selen (Se) pulver i en separat kvarts båd på den opstrøms side af ovnen. Fastholde sin temperatur ved 260 ° C under reaktionen.
    3. Bruge Ar/T2 (Ar = 90 sccm, H2 = 6 sccm, 20 Torr) gas flow til at bringe Se og WO3 dampe til safir underlaget mens varme zonen center 925 ° C.
    4. Holde den varme zone, efter at have nået den ønskede vækst temperatur af 925 ° C i 15 min og derefter naturligvis køle ned ovn til stuetemperatur.
  6. Fremstil metal pad arrays og justering mærker.
    1. Overlay mønstre af metal pad arrays og justering mærker bruger fotolitografi mønster teknik.
    2. Indbetaling 20 nm/60 nm Ti/Au bruger elektronkanon fordamper.
      Bemærk: Guld bruges til at undgå oxidation af metal puder.
    3. Forberede og nedsænkes prøven til 100 mL acetone opløse PR og udføre lift-off. Ryst og blæse acetone mens overvågningen hele processen via Optisk mikroskopi indtil metal puder bliver synlige.
  7. Udføre en anden kvægleukose proces for at overlejre en båndet figur mønster på toppen af MoS2- WSe2 heterojunction.
    1. Måle den koordinere forskydning mellem målområder i MoS2- WSe2 heterojunction og samordning markerer ved hjælp af Optisk mikroskopi og designe bånd-figur layout baseret på målinger ved hjælp af en software (AutoCAD).
    2. Spin-coat PR, for eksempel PMMA eller P015, på toppen af prøven ved 2000 rpm for 60 s (stuetemperatur). Sikre, at PR har dækket hele prøven efter spin coating.
    3. Prøven (blød bage) opvarmes til 100 ° C til 90 sek fordamper opløsningsmidler i PR og forbedre vedhæftningen.
    4. Konvertere mønster layout i trin 1.7.1 til en bestemt fil (eksempel: GDS-fil), og uploade det i kvægleukose software.
    5. Bestemme den ideelle dosis af elektronstråle baseret på bredden af linjerne i layoutet.
      Bemærk: For linjebredde smallere end 1 µm, den ideelle dosis af elektronstråle er 110 Μchiler/cm2; for 1 til 5 µm stregtykkelse er dosis 100 Μchiler/cm2; og for linjebredde er bredere end 5 µm, dosis er 80 Μchiler/cm2.
    6. Opret kvægleukose maskinen således, at placeringen af justering mærker i safir underlaget passer sin korrespondance i layoutet.
    7. Begynde at udsætte prøven til elektronstråle.
    8. Anvende PEB på prøve efter eksponering for at reducere stående bølge-effekter. Opvarmes prøven ved 120 ° C til 90 s.
    9. Bruge TMAH 2,38% som udvikleren. Fordyb prøven til TMAH for 80 s. vaskes ud af TMAH med 200 mL deioniseret vand for 10 s.
    10. Undersøge, om mønsteret, der er udviklet af Optisk mikroskopi.
    11. Udføre hårdt bages til at slippe af med ekstra vand i PR. varme prøve på 110 ° C til 90 s.
  8. Brug O2 plasma radering (2nd ætsning) til at definere en bånd-formet lateral heterojunction, og fjern PR af acetone.
  9. Udføre kvægleukose proces for at overlay mønster af Ti/Au metal elektroder.
    1. Måle den koordinere forskydning mellem målområder i MoS2- WSe2 heterojunction og samordning markerer ved hjælp af Optisk mikroskopi og design metal elektrode layout baseret på målinger ved hjælp af en software (AutoCAD).
    2. Spin-coat PR, for eksempel PMMA eller P015, på toppen af prøven ved 2000 rpm for 60 s (stuetemperatur). Sikre, at PR har dækket hele prøven efter spin coating.
    3. Prøven (blød bage) opvarmes til 100 ° C til 90 sek fordamper opløsningsmidler i PR og forbedre vedhæftningen.
    4. Konvertere mønster layout i trin 1.9.1 til en bestemt fil (eksempel: GDS-fil), og uploade det i kvægleukose software.
    5. Bestemme den ideelle dosis af elektronstråle baseret på bredden af metal linjerne i layoutet.
      Bemærk: For metal linjebredden smallere end 1 µm, den ideelle dosis af elektronstråle er 110 Μchiler/cm2; for 1 til 5 µm stregtykkelse er dosis 100 Μchiler/cm2; og for linjebredde er bredere end 5 µm, dosis er 80 Μchiler/cm2.
    6. Oprette kvægleukose apparat, således at positioner af justering mærker i safir underlaget passer sin korrespondance i layoutet.
    7. Begynde at udsætte prøven til elektronstråle.
    8. Anvende PEB på prøve efter eksponering for at reducere stående bølge-effekter. Opvarmes prøven ved 120 ° C til 90 s.
    9. Bruge TMAH 2,38% som udvikleren. Fordyb prøven til TMAH for 80 s. vaskes ud af TMAH med 200 mL deioniseret vand for 10 s.
    10. Undersøge, om mønsteret, der er udviklet af Optisk mikroskopi.
    11. Udføre hårdt bages til at slippe af med ekstra vand i PR. varme prøve på 110 ° C til 90 s.
  10. Udføre Ti/Au Metal Deposition og Lift-off
    1. Deponere Ti/Au metal ved hjælp af elektronkanon fordamper med tykkelse på mindre end 100 nm, ellers vil det være vanskeligt at fjerne PR og uønskede metal ved lift-off.
    2. Forberede og nedsænkes prøven til 100 mL acetone opløse PR og udføre lift-off. Ryst og blæse acetone mens overvågningen hele processen via Optisk mikroskopi, indtil der er kun metal linjer og puder til venstre.
  11. Udføre kvægleukose processen i trin 1.9 men overlay Pd/Au metal elektrode mønster i stedet for Ti/Au.
  12. Udføre metal deposition og lift-off processen i trin 1.10 men indbetaler Pd/Au i stedet for Ti/Au.

2. 2D Back-gated transistorer fabrikationsproces

  1. Forberede back-gated Si/SiO2 substrater med justering mærker.
    1. Forberede hjemmelavet eller kommercielle SiO2/Si substrat.
    2. Bruge fotolitografi eller kvægleukose mønster teknikker til at definere positionsmærket netop.
    3. Udføre reaktive ion ætsning (RIE) på SiO2/Si substrat, indtil den samlede dybde af målområdet når 1000 nm og fjerne PR ved O2 plasma til at afsløre de dannede justering varemærker.
    4. Overlay mønstre af metal pad arrays ved brug af fotolitografi mønster teknik.
    5. Indbetaling 20 nm/60 nm Ti/Au bruger elektronkanon fordamper.
      Bemærk: Guld bruges til at undgå oxidation af metal puder.
    6. Forberede og nedsænkes prøven til 100 mL acetone opløse PR og udføre lift-off. Ryst og blæse acetone mens overvågningen hele processen af Optisk mikroskopi, indtil metal puder bliver synlige.
  2. Udføre CVD af MoS2 på safir substrat i en varm væg ovn.
    1. Sted 0,6 g MoO3 pulver i en kvarts båd ligger på varmen zone midt i ovnen. Læg den safir substrat nedstrøms siden kvarts båden indeholdende MoO3 pulver.
    2. Forberede S pulver i en separat kvarts båd på den opstrøms side af ovnen. Fastholde sin temperatur på 190 ° C under reaktionen.
    3. Bruge argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flow til at bringe S og MoO3 dampe til safir underlaget mens varme zonen center til 750 ° C.
    4. Holde den varme zone, efter at have nået den ønskede vækst temperatur af 750 ° C i 15 min og derefter naturligvis køle ned ovn til stuetemperatur.
  3. Overføre MoS2 fra sapphire til back-gated SiO2/Si substrat.
    1. Spin frakke PMMA med spin hastighed på 3500 rpm for 30 s oven på MoS2 film.
    2. Bage MoS2/sapphire prøve ved 120 ° C i 3 min for at styrke PMMA belægningen.
    3. Dyp MoS2/Sapphire prøven i 50 mL ammoniakopløsning (14,5%) i omkring 30 min til 2 h til at adskille MoS2 film fra den safir substrat.
    4. Afhente filmen og overføre det til SiO2/Si substrat.
    5. Bage MoS2/SiO2/Si prøve for at forbedre vedhæftningen mellem MoS2 og SiO2 lag. Varme prøve ved 120 ° C i ca 30 min. til 1 time.
    6. Fjerne PMMA ved at vaske det med 30 mL acetone i omkring 30 min til 2 h.
    7. Skyl prøve med isopropylalkohol og bruge kvælstof til at blæse det tørre.
  4. Udføre kvægleukose.
    Bemærk: Der er ingen tynde Au deponeres på SiO2/Si substrat under kvægleukose proces, da Si er en eller anden måde ledende.
    1. Måle den koordinere forskydning mellem målområder og justeringen markerer ved hjælp af Optisk mikroskopi og baseret på disse målinger, design mønster layout af metal elektroderne ved hjælp af et design software.
      Bemærk: Metal elektroderne tilsluttes mål point i MoS2 prøve metal puder i SiO2/Si substrat.
    2. Spin-coat PR, for eksempel PMMA eller P015, på toppen af prøven ved 2000 rpm for 60 s (stuetemperatur). Sikre, at PR har dækket hele prøven.
    3. Prøven (blød bage) opvarmes til 100 ° C til 90 sek fordamper opløsningsmidler i PR og forbedre vedhæftningen.
    4. Konvertere mønster layout i trin 2.4.1 til en bestemt fil (eksempel: GDS-fil), og uploade det i kvægleukose software.
    5. Bestemme den ideelle dosis af elektronstråle baseret på bredden af metal linjerne i layoutet.
      Bemærk: For metal linjebredden smallere end 1 µm, den ideelle dosis af elektronstråle er 110 Μchiler/cm2; for 1 til 5 µm stregtykkelse er dosis 100 Μchiler/cm2; og for linjebredde er bredere end 5 µm, dosis er 80 Μchiler/cm2.
    6. Opret kvægleukose maskinen således, at placeringen af justering mærker i Si/SiO2 substrat passer sin korrespondance i layoutet.
    7. Begynde at udsætte prøven til elektronstråle.
    8. Anvende PEB på prøve efter eksponering for at reducere stående bølge-effekter. Opvarmes prøven ved 120 ° C til 90 s.
    9. Bruge TMAH 2,38% som udvikleren. Fordyb prøven til TMAH for 80 s. vaskes ud TMAH med 200 mL deioniseret vand for 10 s.
    10. Undersøge, om mønsteret, der er udviklet af Optisk mikroskopi.
    11. Udføre hårdt bages til at slippe af med ekstra vand i PR. varme prøve på 110 ° C til 90 s.
  5. Udføre Au Metal Deposition og Lift-off
    1. Deponere Au metal ved hjælp af elektronkanon fordamper med tykkelse på mindre end 100 nm, ellers vil det være vanskeligt at fjerne PR og uønskede metal ved lift-off.
    2. Forberede og nedsænkes prøven til 100 mL acetone opløse PR og udføre lift-off. Ryst og blæse acetone mens overvågning proces via Optisk mikroskopi, indtil der er kun metal linjer og puder til venstre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Enheden fabrication processer er blevet anvendt til flere af de tilsvarende forfatteren undersøgelser vedrørende udviklingen af 2D materiale enheder. I denne del præsenteres resultaterne af nogle af disse undersøgelser for at påvise effektivisering af protokollen diskuteret ovenfor. En éncellelag af laterale WSe2-MoS2 Q-HBT20 er valgt som det første eksempel. Brug standard enhed fabrication processer detaljeret i protokollen, éncellelag lateral WSe2-MoS2 heterojunctions blev dyrket (figur 2a) og derefter fortsatte ved dannelsen af Q-HBT. Metal kontakter blev deponeret på toppen af den laterale heterojunction at fuldføre Q-HBT. Ti/Au blev deponeret på toppen af MoS2 lag (figur 2 c), efterfulgt af aflejring af Pd/Au oven på WSe2 lag (figur 2d). Flere laterale Q-HBT blev udviklet, såsom ene med en n-Pedersen-n laterale heterojunction illustreret i (figur 2d, 2e). Funktion af Q-HBT enhed blev efterprøvet ved at kigge ind i dens karakteristiske kurver som dens output (IC-VCE) kurve på fælles-emitter konfiguration (figur 2f). Figur 2f viser, at den laterale p-Nielsen Q-HBT virker under to driftstilstande - mætning tilstand og aktiv tilstand - hvilket beviser, at Q-HBT, der blev bygget ved hjælp af fabrikationsproces faktisk fungerer som en transistor.

Processen blev også brugt til at bygge 2D back-gated enheder for MoS2 piezotronic stamme/force sensor21 anvendelse. Høj kvalitet trekantede éncellelag MoS2 film blev først syntetiseret ved hjælp af CVD i en safir substrat og derefter overføres til en Si/SiO2 substrat. Resten af processen med at lave MoS2 film til en piezotronic enhed er beskrevet i afsnittet protokol. Figur 3a viser en atomic force mikroskopi (AFM) billede af en udfyldt enhed bestående af et trekantet MoS2 éncellelag og flere sæt af kilde/afløb (S-D) Au elektroder. For at studere den piezoelektriske polarisering retning, var flere kontakt elektroder omkring figuren Trekant bevidst designet. Figur 3b præsenterer den skematisk diagram over piezotronic sensor enhed og opsætningen af viser, hvordan en mekanisk belastning er anvendt af en AFM tip til at teste dets piezoelektriske effekt. Resultaterne i figur 3 c viser, at enheden sensor strømstyrke gennem en af dens S-D elektrode par falder for hver stigning i kraft og vice versa, hvilket er en forventede funktionsmåde for en piezo sensor. Desuden indebærer data i figur 3d , at udviklede sensoren er stabil, da en gentaget applikation af anvendt kraft/stamme næppe ændret dens output aktuelle eller svar.

Figure 1
Figur 1. Skematisk procesforløbet 2D elektroniske enheders. De blå pile repræsenterer fabrikation proces flow af Q-HBT og brown for 2D back-gated transistor. Indsatser: (a) den 2D materiale på safir substrat belagt med PMMA; (b) en prøve opvarmes mens gennemblødt i ammoniakopløsning; (c) skematisk diagram over et 2D materiale efter metal deposition og lift-off proces. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2. To-dimensionelle laterale Q-HBT. (a). fase billede af AFM. Fase billede viser tydeligt kontrasten mellem WSe2 og MoS2. (b). den optiske Mikrograf af en lateral heterostructure bånd hvor n-type materiale er MoS2 og p-type materiale er WSe2. (c). det optiske Mikrograf af metal Ti/Au deponeret på toppen af MoS2 i den laterale heterostructure bånd. Bemærk, at dette billede har den samme skala som (d). (d). den optiske Mikrograf af den laterale Q-HBT, viser en n−p−n−p lateral heterojunction. Sort stiplet boks markerer placeringen af den laterale heterostructure bånd. (e). skematisk afbildning af en 2D Q-HBT. De gule bånd er MoS2 monolag og røde bånd er WSe2 éncellelag. Ti/Au metal lag er designet til at deponere på MoS2 mens Pd/Au kontakter med WSe2. (f). output kendetegner den laterale n−p−n Q-HBT på forskellige VBE værdier. Genoptrykt med tilladelse fra Blaschke, B. M., mfl. 10. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3. MoS2 éncellelag enhed. (en). AFM billede af MoS2 éncellelag enhed. (b). skematisk illustration af en MoS2 enhed viser, hvordan en mekanisk belastning er anvendt af en AFM tip til at teste dets piezoelektriske effekt. (c). - Vb Karakteristik af MoS2 enhed på forskellige anvendt styrker under trykstyrke stamme når anvendelsen styrker på steder angivet i øverste inset resulterer i trykstyrke stamme som vist skematisk i lavere mellemværker. (d). aktuelle svar af CVD éncellelag MoS2 enheden ved gentagne trykstyrke stammer med en fast bias spænding på 1 V. Reprinted med tilladelse fra Lan, Y. W., mfl. 8. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne artikel, er de detaljerede procedurer for opdigte nye elektronik baseret på 2D materialer i nanometer skala påvist. Da prøven forberedelse procedurer af hver ansøgning er uenige med hinanden, blev de overlappende processer behandlet som protokol. Elektron beam mønstre kombineret med materielle placering beslutsomhed og metal elektrode definition således fungerer som protokol her. Blandt de to typer af enheder nævnt, hele processen med 2D back-gated transistorer starter ved våd overføre enkelt krystal MoS2 film på SiO2/Si substrater og slutter ved metal lift-off blev præsenteret. Grunden til hvorfor fokus gives på 2D tilbage gated transistorer er det presserende behov for forbedret 2D materialer-baserede felt effekt transistorer (FETs). Vigtige punkter vedrører dets fabrikationsproces vil derfor understreges i de følgende afsnit.

Der er nogle vanskelige punkter i hvert skridt af forsøgene. For det første er forrang af materiale at finde efterfulgt af fjernelse af PMMA påkrævet for at undgå ugunstige adsorption samtidig udsætter MoS2 film til luft. Adsorptionen er en af årsagerne til forringet ydeevne. Derfor, bagning prøven, med en varighed, der formodes for at være længere end 30 min, når videregivelsen er nødvendig. Ellers er filmen let at blive pillet ud når opløse PMMA med acetone på grund af dårlig fastgørelse af film og dielektriske, hvilket resulterer i forsvinden af flager på target positioner. Dosis af elektronstråle er en anden afgørende faktor for mønstre. Høj elektron beam dosering er ikke egnet til mønstre med snævre mellemrummet mellem elektroderne på grund af nærhed effekten. På den anden side kan faldende dens dosering føre til manglende evne til at opnå den ideelle mønster. Finjustering af parametrene for elektronstråle derfor skal gennemføres. Dybest set, en tynd metal er at foretrække for lettere lift-off, og dens ideelle tykkelse afhænger af anvendelsen og tykkelsen af foto modstå. For 2D transistoren i dette projekt, metal tykkelse under 100 nm er acceptabel.

En begrænsning af metoden er at manuel drift er påkrævet, så det er kun egnet til forskningsformål. Når wafer skala syntese teknikker af disse materialer blevet veludviklet, kan traditionelle halvlederteknologi overtage denne tilgang. Et trade-off mellem at få en højere opløsning og materiale kvalitet findes også, når du vælger mellem optiske billeddannelse og den alternative metode ved hjælp af scanning elektron mikroskop (SEM) i materielle placering. Den optiske billeddannelse metoden i denne protokol giver mikrometer skala præcision for at lokalisere positioner, mens SEM er mere præcis men kunne fremkalde skader i materialet. Derfor, ved hjælp af optiske billeddannelse som foreslået i protokollen er det mest hensigtsmæssigt langt.

Siden år af forskning søger bedst måde at udvikle nye materialer er uundværlig, laboratorium anvendelsesområde fremstilling med hands-on eksperimenter stadig indtager en vigtig position. Sikkert, denne metode kan tjene ikke kun for 2D materialer, men også for 1D og de uopdagede materialer i fremtiden, udvide mulighederne for nanoskala elektronik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af National Science Council, Taiwan kontrakt nr. DE FLESTE 105-2112-M-003-016-MY3. Dette arbejde blev også delvist støttet af nationale Nano enhed laboratorier og e-beam laboratorium i electrical engineering af National Taiwan University.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
E-gun Evaporator AST PEVA 600I
Au slug, 99.99% Well-Being Enterprise Co N/A
Ti slug, 99.99% Well-Being Enterprise Co N/A
E-beam Lithography System Elionix ELS7500-EX
Cold Wall CVD System Sulfur Science SCW600S
C-plane Sapphire substrate Summit-Tech X171999 (0001) ± 0.2 ° one side polished
100 nm SiO2/Si Fabricated in NDL
Ammonia Solution BASF Ammonia Solution 28% Selectipur
Molybdenum (Mo), 99.95% Summit-Tech N/A
Tungsten (W), 99.95% Summit-Tech N/A
Sulfur (S), 99.5% Sigma-Aldrich 13803
Polymethyl Methacrylate (PMMA) Microchem 8110788 Use for transfer process
Spin Coater Laurell WS 400B 6NPP LITE
Acetone BASF Acetone EL Selectipur
Isopropanol (IPA) BASF 2-Propanol UPS
Photo Resist for EBL TOK TDUR-P-015
Plasma Cleaner Harrick Plasma PDC-32G Oxygen plasma

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Kim, Y. B. Challenges for Nanoscale MOSFETs and Emerging Nanoelectronics. Transactions on Electrical and Electronic Materials. 11 (3), 93-105 (2010).
  2. Waldrop, M. M. The chips are down for Moore's law. Nature. 530 (7589), 144-147 (2016).
  3. Lan, Y. W., Chang, W. H., et al. Effects of oxygen bonding on defective semiconducting and metallic single-walled carbon nanotube bundles. Carbon. 50 (12), 4619-4627 (2012).
  4. Lan, Y. W., Aravind, K., Wu, C. S., Kuan, C. H., Chang-Liao, K. S., Chen, C. D. Interplay of spin-orbit coupling and Zeeman effect probed by Kondo resonance in a carbon nanotube quantum dot. Carbon. 50 (10), 3748-3752 (2012).
  5. Lan, Y. W., Nguyen, L. N., Lai, S. J., Lin, M. C., Kuan, C. H., Chen, C. D. Identification of embedded charge defects in suspended silicon nanowires using a carbon-nanotube cantilever gate. Applied Physics Letters. 99 (5), (2011).
  6. De Volder, M. F. L., Tawfick, S. H., Baughman, R. H., Hart, A. J. Carbon nanotubes: present and future commercial applications. Science (New York, N.Y.). 339 (6119), 535-539 (2013).
  7. Eatemadi, A., Daraee, H., et al. Carbon nanotubes: Properties, synthesis, purification, and medical applications. Nanoscale Research Letters. 9 (1), 1-13 (2014).
  8. Lan, Y. W., Chang, W. H., et al. Polymer-free patterning of graphene at sub-10-nm scale by low-energy repetitive electron beam. Small. 10 (22), 4778-4784 (2014).
  9. Romero, M. F., Bosca, A., et al. Impact of 2D-Graphene on SiN Passivated AlGaN/GaN MIS-HEMTs Under Mist Exposure. IEEE Electron Device Letters. 38 (10), 1441-1444 (2017).
  10. Blaschke, B. M., Tort-Colet, N., et al. Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors. 2D Materials. 4 (2), 25040 (2017).
  11. Zhu, Z., Murtaza, I., Meng, H., Huang, W. Thin film transistors based on two dimensional graphene and graphene/semiconductor heterojunctions. RSC Advances. 7 (28), 17387-17397 (2017).
  12. Kim, S. J., Choi, K., Lee, B., Kim, Y., Hong, B. H. Materials for Flexible, Stretchable Electronics: Graphene and 2D Materials. Annual Review of Materials Research. 45 (1), 63-84 (2015).
  13. Manzeli, S., Ovchinnikov, D., Pasquier, D., Yazyev, O. V., Kis, A. 2D transition metal dichalcogenides. Nature Reviews Materials. 2, (2017).
  14. Kolobov, A. V., Tominaga, J. Emerging Applications of 2D TMDCs. 239, Springer Series in Materials Science. 473-512 (2016).
  15. Nguyen, L. N., Lan, Y. W., et al. Resonant tunneling through discrete quantum states in stacked atomic-layered MoS2. Nano Letters. 14 (5), 2381-2386 (2014).
  16. Torres, C. M., Lan, Y. W., et al. High-Current Gain Two-Dimensional MoS2-Base Hot-Electron Transistors. Nano Letters. 15 (12), 7905-7912 (2015).
  17. Jariwala, D., Sangwan, V. K., Lauhon, L. J., Marks, T. J., Hersam, M. C. Emerging Device Applications for Semiconducting Two-Dimensional Transition Metal Dichalcogenides. ACS Nano. 8 (2), 1102-1120 (2014).
  18. Choi, W., Choudhary, N., Han, G. H., Park, J., Akinwande, D., Lee, Y. H. Recent development of two-dimensional transition metal dichalcogenides and their applications. Materials Today. 20 (3), 116-130 (2017).
  19. Xiao, H. Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology, Second Edition. , Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers. (2012).
  20. Lin, C. Y., Zhu, X., et al. Atomic-Monolayer Two-Dimensional Lateral Quasi-Heterojunction Bipolar Transistors with Resonant Tunneling Phenomenon. ACS Nano. 11 (11), 11015-11023 (2017).
  21. Qi, J., Lan, Y. W., et al. Piezoelectric effect in chemical vapour deposition-grown atomic-monolayer triangular molybdenum disulfide piezotronics. Nature Communications. 6, (2015).

Tags

Teknik spørgsmålet 138 nanoelektronik fabrikation elektron beam litografi overgangen metal dichalcogenides to-dimensionelle materialer standard proces
En Standard og pålidelig metode til at fremstille todimensionale nanoelektronik
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Simbulan, K. B. C., Chen, P. C.,… More

Simbulan, K. B. C., Chen, P. C., Lin, Y. Y., Lan, Y. W. A Standard and Reliable Method to Fabricate Two-Dimensional Nanoelectronics. J. Vis. Exp. (138), e57885, doi:10.3791/57885 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter