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Engineering

Eine Standard und zuverlässige Methode, zweidimensionale Nanoelektronik zu fabrizieren

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

Der Artikel soll ein standard und zuverlässige Fertigung Verfahren für die Entwicklung der zukünftigen niedrig dimensionalen Nanoelektronik einzuführen.

Abstract

Zweidimensionale (2D) Materialien haben aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten großes Aufsehen. Da Wafer Scale Synthese von 2D Material noch im Entstehen begriffenen Stadium ist, können nicht Wissenschaftler auf traditionellen Halbleiter-Techniken für damit verbundene Forschung voll und ganz verlassen. Zarte Prozesse finden die Materialien zur Elektrode Definition gut kontrolliert werden müssen. In diesem Artikel erforderliche ein universal Fertigung-Protokoll in der Herstellung von Nano-Elektronik, wie 2D quasi Heterojunction bipolar Transistoren (Q-HBT) und 2D zurück-gated Transistoren unter Beweis gestellt werden. Dieses Protokoll enthält die Bestimmung der materiellen Lage, Elektronenstrahllithographie (EBL), Metall-Elektrode Definition, Et Al. Eine Schritt-für-Schritt-Erzählung der Herstellung Verfahren für diese Geräte werden ebenfalls vorgestellt. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass die gefertigten Geräte hohen Leistung mit hoher Wiederholgenauigkeit erreicht hat. Diese Arbeit zeigt eine umfassende Beschreibung des Prozessablaufs für die Zubereitung von 2D Nano-Elektronik, ermöglicht die Forschungsgruppen auf diese Informationen zuzugreifen, und ebnen den Weg für die zukünftige Elektronik.

Introduction

Seit vergangenen Jahrzehnten erlebt Menschheit Rapid downscale in der Größe der Transistoren und folglich einer exponentiellen Zunahme der Anzahl der Transistoren in integrierten Schaltkreisen (ICs). Dadurch bleibt der kontinuierlichen Fortschritt der Silizium-basierten ergänzende Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) Technologie1. Der aktuelle Trend in der Größe und Leistung der gefertigten Geräte sind noch auf der Strecke mit Moores Gesetz, die besagt, dass die Anzahl der Transistoren auf Mikrochips sowie ihre Leistung verdoppelt sich etwa alle zwei Jahre2. CMOS-Transistoren sind vorhanden in den meisten, wenn nicht alle, die elektronische Geräte, die auf dem Markt und somit Bestandteil des menschlichen Lebens. Aus diesem Grund sind die ständige Forderungen nach Verbesserungen in Chipgröße und Leistung, die der Hersteller für das Mooresche Gesetz Spur verfolgen vorangetrieben haben.

Leider scheint das Moore'sche Gesetz kurz vor sein Ende durch die Menge von Hitze erzeugt, wie mehr Silizium-Schaltungen in einem kleinen Bereich2zusammengedrückt wird. Dies erfordert neue Arten von Materialien, die das gleiche bieten kann, wenn nicht besser, Leistung wie Silizium und zur gleichen Zeit in einem relativ kleinen Maßstab umgesetzt werden können. Vor kurzem wurden neue vielversprechende Materialien Themen von vielen Materialwissenschaften erforscht. Solche Materialien als eindimensionale (1D) Kohlenstoff-Nanoröhren3,4,5,6,7, 2D Graphen8,9,10, 11 , 12und Übergangsmetall (TMDs) Dichalcogenides13,14,15,16,17,18, sind gute Kandidaten, die als genutzt werden kann Ersatz für siliziumbasierte CMOS und weiter das Moore'sche Gesetz Track.

Herstellung von kleinen Geräten erfordert sorgfältige Standortbestimmung, erfolgreich um die anderen Fertigungsverfahren wie Lithografie und Metall-Elektrode-Definition zu gelangen das Material. Also, wurde in diesem Dokument vorgestellte Methode entwickelt, um diesem Bedarf zu begegnen. Im Vergleich zu den traditionellen Halbleiter Fertigung Techniken19, ist der Ansatz, die in diesem Dokument vorgestellte Schneider ausgestattet, um die Entwicklung von kleinen Geräten, die mehr Aufmerksamkeit in Bezug auf die Suche nach dem Ort des Materials. Das Ziel dieser Methode ist, 2D Nanomaterial Geräte wie 2D zurück-gated Transistoren und Q-HBTs mit standard Fabrikationsprozesse zuverlässig zu fabrizieren. Dies dient als Plattform für zukünftige Nanodevice Entwicklungen, wie sie den Weg für die Produktion der Zukunft fortschrittliche Nano-Maßstab Geräte ebnet.

Im Abschnitt Verfahren werden die Herstellungsprozesse für 2D Materialien-basierten Geräten nämlich die Q-HBT und 2D zurück-gated Transistor ausführlich diskutiert. Elektronen Strahl Musterung kombiniert mit materiellen Standortbestimmung und Metallelektroden Definition umfasst das Protokoll, da sie in beiden genannten Prozesse benötigt werden. Teil 1 behandelt die schrittweise Herstellung von Q-HBTs20; und Teil 2 zeigt einen universellen Ansatz um chemical Vapor Deposition (CVD) Molybdän-Disulfid (MoS2) Rücken-gated Transistoren aus Transfer Lift-Off21, die vollständig in diesem Artikel gezeigt hat. Der detaillierte Ablauf zeigt (Abbildung 1).

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Protocol

(1) 2D Quasi Heterojunction Transistoren Fertigungsprozess

  1. Bereiten Sie kommerzielle c-Ebene Saphir.
    1. Reinigen Sie den völlig einseitig geschliffenen Saphir (2 Zoll) mit Aceton.
    2. Spülen Sie das Saphire Substrat mit Isopropyl-Alkohol.
  2. Wachsen Sie MoS2 auf Saphir Substrat mit CVD in einem warm-Wand-Ofen.
    1. Statt 0,6 g Molybdän trioxid (MoO3) Pulver in einem quarzboot befindet sich an der Heizung Zone Mitte des Ofens. Setzen Sie das Saphire Substrat flussabwärts neben das quarzboot mit dem MoO3 Pulver.
    2. Schwefel (S) Pulver in einem separaten quarzboot auf den vorgelagerten Seite des Ofens vorzubereiten. Halten Sie die Temperatur auf 190 ° C während der Reaktion.
    3. Verwenden von Argon (Ar = 70 Sccm, 40 Torr) gas-Durchfluss, S und MoO3 Dämpfe zum Saphir Substrat zu bringen, während das Zentrum Heizzone bis 750 ° C.
    4. Halten Sie die Heizzone nach Erreichen der gewünschten Wachstum Temperatur von 750 ° C für 15 min und dann natürlich der Ofen auf Raumtemperatur abkühlen.
  3. Durchführen Sie EBL.
    Hinweis: Eine dünne Au von ca. 5 nm wurde durch Sputtern für die Entladung bei allen EBL-Prozessen auf Saphir Substrat abgeschieden
    1. Identifizieren, mit einem optischen Mikroskop, ein Gebiet, wo MoS2 Monolage Flocken beobachtet werden, dann das Layout Streifen Muster für diesen speziellen Bereich mit einem Design-Software (AutoCAD).
    2. Spin-Mantel Fotolack (PR), zum Beispiel Polymethyl Methacrylat (PMMA) oder P015, auf Probe bei 2000 u/min für 60 s (Raumtemperatur). Sicherstellen Sie, dass die PR die gesamte Probe nach Spin Beschichtung bedeckt hat.
    3. Erhitzen die Probe (weiche Backen) bei 100 ° C für 90 s um verdunsten der Lösungsmittel in der PR und verbessern die Haftung.
    4. Die Muster-Layout im Schritt 1.3.1 in einer bestimmten Datei umwandeln (Beispiel: GDS-Datei), und laden Sie sie in der EBL-Software.
    5. Die ideale Dosis des Elektronenstrahls basierend auf der Breite der Linien im Layout zu bestimmen.
      Hinweis: Für die Linienbreite schmaler als 1 µm ist die ideale Dosis des Elektronenstrahls 110 µC/cm2; für 1 bis 5 µm Breite ist die Dosis 100 µC/cm2; und für die Breite größer als 5 µm, die Dosis beträgt 80 µC/cm2.
    6. Verfügbarmachen der Probe Elektronenstrahl zu starten.
    7. Legen Sie Post Exposure Bake (PEB) auf die Probe nach der Exposition um die stehende Welle Auswirkungen zu verringern. Erhitzen die Probe bei 120 ° C für 90 s.
    8. Verwenden Sie Tetramethylammonium Hydroxid (TMAH) 2,38 % als Entwickler. Eintauchen die Probe TMAH für 80 S. Auswaschen der TMAH mit 200 mL entionisiertem Wasser für 10 s.
    9. Prüfen Sie, ob das Muster auch durch optische Mikroskopie entwickelt wird.
    10. Durchführung von harten Backen get rid of Extrawasser in PR. Hitze der Probe bei 110 ° C für 90 s.
  4. Definieren Sie die Streifen-Strukturen mit 50 W Sauerstoff (O2) Plasma Ätzen (1St Etching) für 30 s bis 2 min und entfernen PR mit 50 mL Aceton.
  5. Wolfram Diselenide (WSe2) mit CVD auf die Zielposition, was zu einem bevorzugten Wachstum von WSe2 Schicht zwischen den bereits bestehenden MoS2 Streifen auf dem Saphir Substrat führt zu wachsen.
    1. Statt 0,6 g Wolfram trioxid (WO3) Pulver in einem quarzboot befindet sich an der Heizung Zone Mitte des Ofens. Setzen Sie das Saphire Substrat flussabwärts neben das quarzboot mit dem WO3 Pulver.
    2. Bereiten Sie Selen (Se) Pulver in einem separaten quarzboot auf den vorgelagerten Seite des Ofens. Behalten Sie die Temperatur bei 260 ° C während der Reaktion.
    3. Verwenden Sie Ar/H2 (Ar = 90 Sccm, H2 = 6 Sccm, 20 Torr) gas-Durchfluss, Se und WO3 Dämpfe zum Saphir Substrat zu bringen, während das Zentrum Heizzone bis 925 ° C.
    4. Halten Sie die Heizzone nach Erreichen der gewünschten Wachstum Temperatur von 925 ° C für 15 min und dann natürlich der Ofen auf Raumtemperatur abkühlen.
  6. Die Metall-Pad-Arrays und Ausrichtungsmarken zu fabrizieren.
    1. Auf der Folie die Muster der Metal Pad Arrays und Ausrichtung der Photolithographie Musterung Technik verwenden.
    2. Anzahlung 20 nm/60 nm Ti/Au mit Elektronenkanone Verdampfer.
      Hinweis: Gold wird verwendet, um die Oxidation der Metall-Pads zu vermeiden.
    3. Bereiten Sie und Tauchen Sie die Probe auf 100 mL Aceton auflösen PR und Lift-Off durchzuführen. Schütteln Sie und sprengen Sie das Aceton bei der Überwachung des gesamten Prozesses über optische Mikroskopie bis die Metall Pads sichtbar.
  7. Führen Sie einen anderen EBL-Prozess um eine Multifunktionsleiste Form auf die MoS2- WSe2 Heterojunction Musterüberlagerung.
    1. Messen Sie die Koordinate Verschiebung zwischen den Zielregionen in MoS2- WSe2 Heterojunction und der optischen Mikroskopie mit Ausrichtungsmarken und das Menüband-Form-Layout basierend auf diese Messungen mit Hilfe einer Software (AutoCAD).
    2. Spin-Mantel PR, z. B. PMMA oder P015, auf Probe bei 2000 u/min für 60 s (Raumtemperatur). Sicherstellen Sie, dass die PR die gesamte Probe nach Spin Beschichtung bedeckt hat.
    3. Erhitzen die Probe (weiche Backen) bei 100 ° C für 90 s um verdunsten der Lösungsmittel in der PR und verbessern die Haftung.
    4. Die Muster-Layout im Schritt 1.7.1 in einer bestimmten Datei umwandeln (Beispiel: GDS-Datei), und laden Sie sie in der EBL-Software.
    5. Die ideale Dosis des Elektronenstrahls basierend auf der Breite der Linien im Layout zu bestimmen.
      Hinweis: Für die Linienbreite schmaler als 1 µm ist die ideale Dosis des Elektronenstrahls 110 µC/cm2; für 1 bis 5 µm Breite ist die Dosis 100 µC/cm2; und für die Breite größer als 5 µm, die Dosis beträgt 80 µC/cm2.
    6. Die EBL-Maschine so eingestellt, dass die Position der Ausrichtungsmarken im Saphir Substrat seine Entsprechung im Layout entspricht.
    7. Verfügbarmachen der Probe Elektronenstrahl zu starten.
    8. Gelten Sie PEB auf der Probe nach der Belichtung um die stehende Welle Auswirkungen zu reduzieren. Erhitzen die Probe bei 120 ° C für 90 s.
    9. Verwenden Sie TMAH 2,38 % als Entwickler. Eintauchen die Probe TMAH für 80 S. Auswaschen der TMAH mit 200 mL entionisiertem Wasser für 10 s.
    10. Prüfen Sie, ob das Muster auch durch optische Mikroskopie entwickelt wird.
    11. Durchführung von harten Backen get rid of Extrawasser in PR. Hitze der Probe bei 110 ° C für 90 s.
  8. Verwenden Sie O2 Plasma Ätzen (2Nd Etching), um eine Band geformten seitlichen Heterojunction definieren, und entfernen Sie PR durch Aceton.
  9. Führen Sie den EBL-Prozess, um von der Ti/Au Metallelektroden Musterüberlagerung.
    1. Messen Sie die Koordinate Verschiebung zwischen den Zielregionen in MoS2- WSe2 Heterojunction und der optischen Mikroskopie mit Ausrichtungsmarken und das Metall-Elektrode Layout basierend auf diese Messungen mit Hilfe einer Software (AutoCAD).
    2. Spin-Mantel PR, z. B. PMMA oder P015, auf Probe bei 2000 u/min für 60 s (Raumtemperatur). Sicherstellen Sie, dass die PR die gesamte Probe nach Spin Beschichtung bedeckt hat.
    3. Erhitzen die Probe (weiche Backen) bei 100 ° C für 90 s um verdunsten der Lösungsmittel in der PR und verbessern die Haftung.
    4. Die Muster-Layout im Schritt 1.9.1 in einer bestimmten Datei umwandeln (Beispiel: GDS-Datei), und laden Sie sie in der EBL-Software.
    5. Die ideale Dosis des Elektronenstrahls basierend auf der Breite der Metall-Leitungen im Layout zu bestimmen.
      Hinweis: Für Metall Linienbreite schmaler als 1 µm ist die ideale Dosis des Elektronenstrahls 110 µC/cm2; für 1 bis 5 µm Breite ist die Dosis 100 µC/cm2; und für die Breite größer als 5 µm, die Dosis beträgt 80 µC/cm2.
    6. Die EBL-Maschine so eingestellt, dass die Positionen der Ausrichtungsmarken im Saphir Substrat passt seine Entsprechung im Layout.
    7. Verfügbarmachen der Probe Elektronenstrahl zu starten.
    8. Gelten Sie PEB auf der Probe nach der Belichtung um die stehende Welle Auswirkungen zu reduzieren. Erhitzen die Probe bei 120 ° C für 90 s.
    9. Verwenden Sie TMAH 2,38 % als Entwickler. Eintauchen die Probe TMAH für 80 S. Auswaschen der TMAH mit 200 mL entionisiertem Wasser für 10 s.
    10. Prüfen Sie, ob das Muster auch durch optische Mikroskopie entwickelt wird.
    11. Durchführung von harten Backen get rid of Extrawasser in PR. Hitze der Probe bei 110 ° C für 90 s.
  10. Ti/Au Metallabscheidung und Lift-Off durchführen
    1. Einzahlen Ti/Au Metall mit Elektronenkanone Verdampfer mit der Dicke von weniger als 100 nm, andernfalls wird es schwierig, die PR und das unerwünschte Metall durch Lift-Off zu entfernen sein.
    2. Bereiten Sie und Tauchen Sie die Probe auf 100 mL Aceton auflösen PR und Lift-Off durchzuführen. Schütteln Sie und sprengen Sie das Aceton bei der Überwachung des gesamten Prozesses über optische Mikroskopie bis gibt es nur Metall-Leitungen und Pads Links.
  11. Durchführen Sie die EBL-Prozess im Schritt 1,9 aber überlagern Sie die Pd/Au-Metall-Elektrode Muster statt Ti/Au.
  12. Die Metall-Ablagerungen und Lift-Off-Prozess im Schritt 1.10 durchführen, aber Pd/Au statt Ti/Au zu hinterlegen.

2. 2D zurück-gated Transistoren Fertigungsprozess

  1. Rücken-gated Si/SiO2 Substrate mit Ausrichtungsmarken vorzubereiten.
    1. Bereiten Sie selbstgemacht oder kommerzielle SiO2/Si Substrat.
    2. Verwenden Sie Photolithographie oder EBL Musterung Techniken um die Ausrichtung der Marke zu definieren.
    3. Durchführen Sie reaktive Ionen Ätzen (RIE) auf dem SiO2/Si Substrat, bis die Gesamttiefe des Zielbereichs 1000 nm erreicht, und entfernen Sie die PR O2 Plasma, die gebildeten Ausrichtungsmarken zu offenbaren.
    4. Die Muster der Metal Pad Arrays mit Photolithographie Musterung Technik zu überlagern.
    5. Anzahlung 20 nm/60 nm Ti/Au mit Elektronenkanone Verdampfer.
      Hinweis: Gold wird zur Oxidation der Metall-Pads zu vermeiden.
    6. Bereiten Sie und Tauchen Sie die Probe auf 100 mL Aceton auflösen PR und Lift-Off durchzuführen. Schütteln Sie und sprengen Sie das Aceton bei der Überwachung des gesamten Prozesses durch optische Mikroskopie bis die Metall Pads sichtbar.
  2. Führen Sie CVD MoS2 auf Saphir Substrat in einem warm-Wand-Ofen.
    1. Statt 0,6 g MoO3 Pulver in einem quarzboot befindet sich an der Heizung Zone Mitte des Ofens. Setzen Sie das Saphire Substrat flussabwärts neben das quarzboot mit dem MoO3 Pulver.
    2. Bereiten Sie S Pulver in einem separaten quarzboot auf den vorgelagerten Seite des Ofens. Halten Sie die Temperatur auf 190 ° C während der Reaktion.
    3. Verwenden von Argon (Ar = 70 Sccm, 40 Torr) gas-Durchfluss, S und MoO3 Dämpfe zum Saphir Substrat zu bringen, während das Zentrum Heizzone bis 750 ° C.
    4. Halten Sie die Heizzone nach Erreichen der gewünschten Wachstum Temperatur von 750 ° C für 15 min und dann natürlich der Ofen auf Raumtemperatur abkühlen.
  3. MoS2 aus der Saphir auf dem Rücken-gated SiO2/Si Untergrund zu übertragen.
    1. Spin-Mantel PMMA mit die Schleuderdrehzahl von 3500 u/min für 30 s auf der MoS2 Film.
    2. Backen Sie die MoS2/sapphire Probe bei 120 ° C für 3 min um die PMMA-Beschichtung zu stärken.
    3. Tauchen Sie die MoS2/Sapphire Probe in 50 mL Ammoniaklösung (14,5 %) für ca. 30 min bis 2 h MoS2 Film vom Saphir Substrat zu trennen.
    4. Der Film holen und überträgt es auf das SiO2/Si Substrat.
    5. Backen Sie die MoS2/SiO2/Si Probe um die Adhäsion zwischen den MoS2 und SiO2 Schichten zu erhöhen. Erhitzen der Probe bei 120 ° C für ca. 30 min bis 1 h.
    6. Entfernen Sie die PMMA durch Waschen mit 30 mL Aceton für etwa 30 min bis 2 h.
    7. Spülen Sie die Probe mit Isopropyl-Alkohol und verwenden Sie Stickstoff, es trocken zu Blasen.
  4. Durchführen Sie EBL.
    Hinweis: Es gibt keine dünnen Au bei EBL auf SiO2/Si Substrat abgeschieden, da Si irgendwie leitend ist.
    1. Die Koordinate Verschiebung zwischen den Zielregionen zu messen und die Ausrichtung markiert mit optischen Mikroskopie und anhand dieser Messungen, gestalten Sie das Muster-Layout von Metall-Elektroden mit einem Design-Software.
      Hinweis: Metall-Elektroden anschließen der Zielpunkte in der MoS2 Probe auf die Metall-Pads im SiO2/Si Substrat.
    2. Spin-Mantel PR, z. B. PMMA oder P015, auf Probe bei 2000 u/min für 60 s (Raumtemperatur). Sicherstellen Sie, dass die PR die gesamte Probe zurückgelegt hat.
    3. Erhitzen die Probe (weiche Backen) bei 100 ° C für 90 s um verdunsten der Lösungsmittel in der PR und verbessern die Haftung.
    4. Die Muster-Layout im Schritt 2.4.1 in einer bestimmten Datei umwandeln (Beispiel: GDS-Datei), und laden Sie sie in der EBL-Software.
    5. Die ideale Dosis des Elektronenstrahls basierend auf der Breite der Metall-Leitungen im Layout zu bestimmen.
      Hinweis: Für Metall Linienbreite schmaler als 1 µm ist die ideale Dosis des Elektronenstrahls 110 µC/cm2; für 1 bis 5 µm Breite ist die Dosis 100 µC/cm2; und für die Breite größer als 5 µm, die Dosis beträgt 80 µC/cm2.
    6. Die EBL-Maschine so eingestellt, dass die Position der Ausrichtungsmarken in Si/SiO2 Substrat seine Entsprechung im Layout entspricht.
    7. Verfügbarmachen der Probe Elektronenstrahl zu starten.
    8. Legen Sie PEB auf die Probe nach der Exposition um die stehende Welle Auswirkungen zu verringern. Erhitzen die Probe bei 120 ° C für 90 s.
    9. Verwenden Sie TMAH 2,38 % als Entwickler. Eintauchen die Probe TMAH für 80 S. Auswaschen der TMAH mit 200 mL entionisiertem Wasser für 10 s.
    10. Prüfen Sie, ob das Muster auch durch optische Mikroskopie entwickelt wird.
    11. Durchführung von harten Backen get rid of Extrawasser in PR. Hitze der Probe bei 110 ° C für 90 s.
  5. Führen Sie Au Metal Deposition und Lift-Off
    1. Einzahlen Au Metall mit Elektronenkanone Verdampfer mit der Dicke von weniger als 100 nm, andernfalls wird es schwierig, die PR und das unerwünschte Metall durch Lift-Off zu entfernen sein.
    2. Bereiten Sie und Tauchen Sie die Probe auf 100 mL Aceton auflösen PR und Lift-Off durchzuführen. Schütteln Sie und sprengen Sie das Aceton bei der Überwachung des Prozesses über optische Mikroskopie bis gibt es nur Metall-Leitungen und Pads Links.

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Representative Results

Das Gerät Fertigungsprozesse wurden zu mehreren des entsprechenden Autors Forschungen mit der Entwicklung von 2D Material Geräten angewendet. In diesem Teil werden die Ergebnisse einiger dieser Forschungen vorgestellt, um die Effektivität des oben genannten Protokolls zu demonstrieren. Eine Monolage seitliche WSe2-MoS2 Q-HBT20 wird als das erste Beispiel ausgewählt. Mit dem Grundgerät Fertigungsprozesse detailliert in das Protokoll, der Monolage seitliche WSe2-MoS2 Heterojunctions wurden (Abbildung 2a) angebaut und fuhr dann fort, durch die Bildung von Q-HBT. Metallkontakte abgelagert wurden auf die seitlichen Heterojunction Q-HBT abgeschlossen. Ti/Au abgelagert wurden, am Anfang der MoS2 Schicht (Abbildung 2 c), gefolgt von der Ablagerung von Pd/Au am Anfang der WSe-2 -Schicht (Abb. 2d). Wurden mehrere seitliche Q-HBT entwickelt, wie mit einem n-p-n-p seitliche Heterojunction dargestellt (Abb. 2d, 2e). Die Funktion des Gerätes Q-HBT ergab sich durch einen Blick in seine Kennlinien wie seine Ausgabe (ichC-VCE) Kurve am gemeinsamen Emitter Konfiguration (Abb. 2f). Abbildung 2f zeigt, dass die seitlichen n-p-n-Q-HBT in zwei Betriebsarten - Sättigung Modus und den aktiven Modus - was beweist arbeitet, dass die Q-HBT, das gebaut wurde mit der Fertigung, in der Tat wie ein Transistor funktioniert.

Der Prozess wurde auch verwendet, 2D zurück-gated Geräte für MoS2 Piezotronic Belastung/Force Sensor21 Anwendung entwickeln. Qualitativ hochwertige dreieckige Monolage MoS2 Filme wurden erstmals synthetisiert, CVD in einem Saphir Substrat verwenden und dann in einem Si/SiO2 Substrat übertragen. Der Rest von den Prozeß des Bildens des MoS2 Films in ein Piezotronic-Gerät ist im Abschnitt Protokoll diskutiert. Abbildung 3a zeigt ein atomic Force Microscopy (AFM) Bild einer abgeschlossenen Vorrichtung, bestehend aus einem dreieckigen MoS2 Monolage und mehrere Sätze von Source/Drain (S-D) Au Elektroden. Um die piezoelektrischen Polarisationsrichtung zu untersuchen, wurden mehrere kontaktelektroden um die Dreiecksform absichtlich entworfen. Abbildung 3 b zeigt die schematische Darstellung der Piezotronic-Sensor-Gerät und das Setup zeigt, wie eine mechanische Belastung durch eine AFM-Spitze testen Sie seine piezoelektrischen Effekt angewendet wird. Ergebnisse in Abbildung 3 c zeigen, dass der sensorvorrichtung Strom durch eines seiner S-D Elektrodenpaare für jeden Anstieg der einwirkenden Kraft und umgekehrt, sinkt die ist ein erwartetes Verhalten für einen Piezo-Sensor. Darüber hinaus impliziert die Daten in Abbildung 3d , dass die entwickelten Sensor stabil ist, da eine wiederholte Anwendung der angewandten Kraft/Belastung kaum seinen Ausgangsstrom oder Antwort geändert.

Figure 1
Abbildung 1: Schematischer Ablauf der 2D Elektrogeräte. Die blauen Pfeile repräsentieren den Prozessablauf Herstellung von Q-HBT und braun für 2D zurück-gated Transistor. Einschub: (a) beschichtet das 2D Material auf Saphir Substrat mit PMMA; (b) erhitzt eine Probe während in Ammoniak-Lösung getränkt; (c) schematische Darstellung eines 2D Materials nach der Metallabscheidung und Lift-Off-Prozess. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Zweidimensionale seitliche Q-HBT. (a). Phase Bild von AFM. Das Phase-Bild zeigt deutlichen Kontrast zwischen WSe2 und MoS2. (b). die optische Schliffbild eines seitlichen Heterostruktur-Bandes, wo n-Typ Material MoS2 und p-Typ ist, ist WSe2. (c). die optische Schliffbild der Metall Ti/Au hinterlegt auf MoS2 in der seitlichen Heterostruktur-Multifunktionsleiste. Beachten Sie, dass dieses Bild der gleichen Größenordnung wie in (d). (d). die optische Schliffbild der seitlichen Q-HBT, zeigt eine seitliche Heterojunction N−p−n−p. Schwarzer gestrichelter Rahmen markiert die Position der seitlichen Heterostruktur Multifunktionsleiste. (e). schematische Grundstück ein 2D Q-HBT. Die gelben Bänder sind MoS2 Monolagen und die rote Schleife ist WSe2 monomolekularen Film. Ti/Au Metallschichten sollen auf MoS2 während Pd/Au Kontakte mit WSe2einzahlen. (f). die Leistungscharakteristik des seitlichen N−p−n Q-HBT bei verschiedenen VBE -Werten. Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Blaschke, B. M., Et al.. 10. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3. Das MoS2 Monolage Gerät. (a). AFM-Bild des MoS2 Monolage Gerätes. (b). schematische Darstellung der ein MoS-2 -Gerät zeigt, wie eine mechanische Belastung durch eine AFM-Spitze testen Sie seine piezoelektrischen Effekt angewendet wird. (c). - Vb Merkmale der MoS2 Vorrichtung an verschiedenen angewendeten Kräfte unter Druckspannung bei Anwendung Kräfte an Standorten im oberen bezeichnet eingelassen, wodurch Druckspannung wie schematisch in niedriger Einsätze. (d). aktuelle Antwort der CVD Monolage MoS2 Gerät bei wiederholten Druckspannungen Stämme auf einer festen Vorspannung 1 V. Abdruck mit freundlicher Genehmigung von Lan, Y. W., Et al.. 8. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

In diesem Artikel werden die Modalitäten der Herstellung neuartiger Elektronik basierend auf 2D Materialien im Nanometer-Maßstab demonstriert. Da die Probenaufbereitungsverfahren der jeweiligen Anwendung Unterschiede miteinander haben, wurden die überlappende Prozesse als Protokoll behandelt. Electron Beam Musterung kombiniert mit materiellen Standortbestimmung und Metallelektroden Definition dient somit als das Protokoll hier. Unter den zwei Arten der genannten Geräte der gesamte Prozess der 2D zurück-gated Transistoren ab nassen Übertragung Einkristall MoS2 Filme auf SiO2/Si Substrate und endend mit Metalldeckel wurden vorgestellt. Der Grund warum Fokus auf 2D gated Transistoren zurückgegeben wird ist die dringende Notwendigkeit der verbesserten 2D Materialien basierenden Feldeffekttransistoren (FETs). Wichtige Punkte im Zusammenhang mit ihren Fertigungsprozess werden daher in den folgenden Absätzen betont werden.

Es gibt einige heikle Punkte in jedem Schritt der Experimente. Erstens ist die Rangfolge der materiellen Ortung gefolgt von der Beseitigung von PMMA erforderlich, um ungünstige Adsorption zu vermeiden, während die MoS2 Filme an der Luft auszusetzen. Die Adsorption ist eine der Ursachen für Performance-Einbußen. Folglich, Backen die Probe mit einer Dauer, die soll länger als 30 min, nachdem die Übertragung notwendig ist. Ansonsten ist der Film einfach abgezogen werden, wenn PMMA mit Aceton aufgrund der schlechten Befestigung der Filme und Dielektrikum, die Ergebnisse in das Verschwinden der Flocken auf Zielpositionen auflösen. Die Dosis des Elektronenstrahls ist ein weiterer entscheidender Faktor für die Musterung. Hohen Electron Beam Dosierung eignet sich nicht für Muster mit engen Abstand zwischen den Elektroden durch den Nahbesprechungseffekt. Auf der anderen Seite kann die Verringerung der Dosierung auf die Unfähigkeit, das ideale Muster zu erreichen führen. Feinabstimmung der Parameter der Elektronenstrahl muss daher durchgeführt werden. Grundsätzlich ein dünnes Metall wird bevorzugt für einfacher Lift-Off, und seine ideale Stärke hängt von der Anwendung und die Dicke der Fotolack. Für die 2D Transistor in diesem Projekt, Metall-Dicke unter 100 nm ist akzeptabel.

Eine Einschränkung der Methode ist, dass manueller Bedienung erforderlich, so dass es nur für wissenschaftliche Zwecke geeignet ist. Sobald Wafer Scale Synthesetechniken dieser Materialien gut entwickelt sind, kann dieser Ansatz traditioneller Halbleiter-Technologie übernehmen. Außerdem existiert ein Trade-off zwischen dem erhalten einer höheren Auflösung und Material-Qualität bei der Wahl zwischen optischen Bildgebung und die alternative Methode mit Rasterelektronenmikroskop (REM) bei der Bestimmung der materiellen Lage. Das optische bildgebende Verfahren, die in diesem Protokoll verwendeten bietet Mikrometer Skala Präzision zur Ortung von Positionen, während SEM präziser ist, aber Schäden im Material veranlassen könnte. Deshalb verwenden optische Bildgebung wie vorgeschlagen im Protokoll die zweckmäßigste bei weitem.

Seit Jahren der Forschung sucht den besten Weg, um neue Materialien zu entwickeln ist unentbehrlich, Labor Geltungsbereich Herstellung mit anschaulichen Experimenten immer noch eine wichtige Position einnimmt. Natürlich kann diese Methode nicht nur für 2D Materialien, sondern auch für 1D und unentdeckten Materialien in Zukunft dienen erweitern die Möglichkeiten von nanoskaligen Elektronik.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von der National Science Council, Taiwan unter Vertrag Nein unterstützt DIE MEISTEN 105-2112-M-003-016-MY3. Diese Arbeit war auch Teil der nationalen Nano Gerät Laboratorien und Elektronenstrahl-Labor in der Elektrotechnik der National Taiwan University unterstützt.

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

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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).

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Engineering Ausgabe 138 Nanoelektronik Fabrikation Elektronenstrahllithografie Übergangsmetall-Dichalcogenides zweidimensionale Materialien standard-Prozess
Eine Standard und zuverlässige Methode, zweidimensionale Nanoelektronik zu fabrizieren
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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).

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