שיטה סטנדרטית ואמינה כדי לפברק Nanoelectronics דו מימדי

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

המאמר שואפת להציג את הליך ייצור סטנדרטי ואמין לפיתוח עתידי נמוך nanoelectronics תלת-ממדי.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Simbulan, K. B., 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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

חומרים (2D) דו מימדי משכו תשומת לב אדירה בשל תכונותיו הייחודיות שלהם יישומים פוטנציאליים. מאחר וופל סולם סינתזה של חומרים 2D עדיין בשלבי המתהווה, מדענים לא יכול להסתמך באופן מלא על טכניקות מסורתיות מוליכים למחצה עבור מחקרים בנושא. תהליכים עדינים החל מאיתור החומרים להגדרת אלקטרודה צריך להיות נשלט היטב. במאמר זה, פרוטוקול פבריקציה נוספת אוניברסלי נדרש ייצור ננו אלקטרוניקה, כגון 2D קוואזי-heterojunction דו קוטבית טרנזיסטורים (Q-ואירוקוי), ו- 2D טרנזיסטורים ממותגת הגב מודגמות. פרוטוקול זה כולל קביעת מיקום גשמי, ליתוגרפיה קרן אלקטרונים (EBL), הגדרה אלקטרודת מתכת, ואח. נרטיב שלב אחר שלב של ההליכים פבריקציה נוספת עבור התקנים אלה מוצגים. יתר על כן, התוצאות מראות כי כל אחד מההתקנים מפוברק השיגה ביצועים גבוהים עם הדיר גבוהה. עבודה זו מגלה תיאור מקיף של זרימת תהליך להכנת ננו-אלקטרוניקה 2D, מאפשרת לקבוצות המחקר לגשת למידע זה, לסלול את הדרך לקראת עתיד אלקטרוניקה.

Introduction

מאז עברו עשורים, המין האנושי חווה rapid downscale בגודל של טרנזיסטורים, וכתוצאה מכך גידול מעריכי מספר הטרנזיסטורים במעגלים משולבים (ICs). זה שומר על התקדמות רציפה של טכנולוגיה מבוססי סיליקון משלימים תחמוצת מתכת מוליכים למחצה (CMOS)1. יתר על כן, הטרנד הנוכחי גודל ובביצועים של התקנים מפוברק הם עדיין במסלול עם חוק מור, אשר קובע כי מספר הטרנזיסטורים על שבבים אלקטרוניים, כמו גם את הביצועים שלהם, מוכפל בערך כל שנתיים2. טרנזיסטורים CMOS נוכחים ברוב, אם לא כל, של מכשירים אלקטרוניים הזמינים בשוק, ובכך חלק בלתי נפרד של חיי אדם. בגלל זה, ישנם דרישות מתמדת לשיפורים גודל השבב ובביצועים אשר דחפתם היצרנים אמשיך לעקוב במסלול משפטים של מור.

למרבה הצער, חוק מור מופיעה כדי להיות לסופו עקב כמות החום שנוצר כפי יותר המעגלים הסיליקון נדחקת שטח קטן2. . זה דורש סוגים חדשים של חומרים אשר יכולים לספק אותו, אם לא יותר טוב, ביצועים כמו סיליקון, באותו הזמן, יכול להיות מיושם ב בקנה מידה קטן יחסית. לאחרונה, חומרים חדשים המבטיחים כבר נושאים של מחקרים רבים של חומר מדעי. חומרים כאלה כמו חד-ממדי (1 ד) פחמן צינורות3,4,5,6,7, דו-מימדית גרפן8,9,10, 11 , 12, מתכות מעבר dichalcogenides (TMDs)13,14,15,16,17,18, הם מועמדים טובים זה יכול לשמש תחליף CMOS מבוססי סיליקון והמשך מסלול משפטים של מור.

ייצור של התקנים בקנה מידה קטן דורש זהירות קביעת המיקום של החומר להמשיך בהצלחה טכניקות ייצור אחרות כגון ליתוגרפיה בחדות אלקטרודת מתכת. אז השיטה המובאת בעיתון הזה נועד לטפל צורך זה. בהשוואה של טכניקות ייצור מוליכים למחצה מסורתי19, הגישה שהוצגו במאמר זה היא מובנית חייט להתפתחות של התקנים בקנה מידה קטן אשר צריך יותר תשומת לב מבחינת מציאת המיקום של החומר. מטרת שיטה זו היא אמינה לפברק 2D nanomaterial התקנים, כגון טרנזיסטורים ממותגת הגב 2D ו- Q-HBTs, באמצעות תהליכי ייצור רגיל. זה יכול לשמש כפלטפורמה התפתחויות עתידיות nanodevice היא סוללת את הדרך לעבר הייצור של מכשירי עתידית מתקדמים בקנה מידה ננו.

במקטע שתמשיך, תהליכי ייצור עבור מכשירים מבוססי-חומרים דו-מימדית. כלומר, Q-ואירוקוי וטרנזיסטור ממותגת הגב 2D נדונים בפירוט. אלקטרון קרן המתבנת בשילוב עם מיקום גשמי נחישות, אלקטרודת מתכת הגדרה כוללת את הפרוטוקול מאז הם נדרשים שני התהליכים שהוזכרו. חלק 1 דן התהליך שלב אחר שלב ייצור של Q-HBTs20; חלק 2 מדגים גישה אוניברסלית כדי להשיג אדים כימיים התצהיר (CVD) ומוליבדן דיסולפידי (MoS2) טרנזיסטורים ממותגת הגב של העברה עד ההמראה21, אשר הוכח לחלוטין במאמר. זרימת התהליך מפורט מודגם (איור 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. תהליך ייצור טרנזיסטורים 2D קוואזי-heterojunction

  1. להכין ספיר c-מטוס מסחרי.
    1. רחץ הספיר מלוטש כל יחיד הפונה (2 אינץ ') עם אצטון.
    2. יש לשטוף את המצע ספיר אלכוהול איזופרופילי.
  2. לגדול MoS2 בספיר המצע באמצעות CVD תנור חם-קיר.
    1. המקום 0.6 גר' מוליבדן אבקת trioxide (MoO3) בסירה קוורץ הממוקמת החימום אזור מרכז החימום. לשים את המצע ספיר במורד הנהר ליד הסירה קוורץ המכיל את האבקה3 MoO.
    2. להכין אבקת גופרית (S) בסירה קוורץ נפרדים בצד במעלה הזרם של הכבשן. לשמור את הטמפרטורה שלו ב 190 מעלות צלזיוס במהלך התגובה.
    3. השתמש ארגון (Ar = 70 sccm, טנדר של גוה של 40) גז זרימה כדי להביא האדים3 S ו- MoO המצע ספיר תוך חימום אזור המרכז עד 750 מעלות צלזיוס.
    4. לשמור על אזור חימום, כשמגיעים הטמפרטורה הרצויה צמיחה של 750 מעלות צלזיוס, למשך 15 דקות, ואז באופן טבעי להתקרר הכבשן לטמפרטורת החדר.
  3. לבצע EBL.
    הערה: Au דק בערך 5 nm נמצא על התזה על מתרוקנת במהלך כל התהליכים EBL על המצע ספיר
    1. לזהות, שימוש במיקרוסקופ אופטי, אזור שבו MoS2 חד שכבתי פתיתי שנצפו, ולאחר מכן לעצב את מיתאר תבנית פסים באותו אזור ספציפי באמצעות תוכנת העיצוב (AutoCAD).
    2. ספין-מעיל photoresist (PR), לדוגמה polymethyl methacrylate (PMMA) או P015, על גבי הדגימה ב 2000 סל ד 60 s (טמפרטורת החדר). ודא כי ליחסי ציבור כיסה את הדגימה כולה לאחר ציפוי ספין.
    3. מחממים את המדגם (אופים רך) ב 100 מעלות צלזיוס במשך 90 s להתאדות ממסים ליחסי ציבור ולטייב את הידבקות.
    4. להמיר את פריסת תבנית בשלב 1.3.1 קובץ מסוים (לדוגמה: קובץ GDS), והעלו אותו התוכנה EBL.
    5. לקבוע את המינון האידיאלי של קרן אלקטרונים המבוססים על רוחב הקווים בפריסה.
      הערה: עבור קו רוחב צר יותר 1 מיקרומטר, המינון האידיאלי של קרן אלקטרונים הוא 110 µC/cm2; עבור 1 ל 5 מיקרומטר קו רוחב, המינון הוא 100 µC/cm2; עבור רוחב קו רחב יותר 5 מיקרומטר, המינון הוא µC/ס מ 802.
    6. להתחיל לחשוף את הדגימה כדי קרן אלקטרונים.
    7. החל לאפות לאחר חשיפה (PEB) על המדגם לאחר חשיפת כדי להפחית את תופעות גלים עומדים. מחממים את הדגימה ב 120 ° C עבור 90 s.
    8. השתמש tetramethylammonium הידרוקסיד (TMAH) 2.38% כמפתח. לטבול את הדגימה כדי TMAH עבור 80 ס' לשטוף החוצה TMAH עם 200 מ של מים יונים עבור 10 s.
    9. בדוק אם התבנית היא התפתחה גם על ידי מיקרוסקופ אופטי.
    10. התנהגות קשה לאפות כדי להיפטר עודף מים בחום PR. המדגם ב 110 מעלות צלזיוס במשך 90 s.
  4. להגדיר את המבנים פס באמצעות W 50 חמצן (O2) איכול פלזמה (התחריטסנט 1) עבור 30 s כדי 2 min ו- PR הסרה באמצעות 50 מ של אצטון.
  5. לגדול טונגסטן diselenide (WSe2) באמצעות CVD למיקום היעד, אשר יובילו לצמיחה המועדפת של שכבה2 WSe בין הפסים2 MoS קיים כבר על המצע ספיר.
    1. המקום 0.6 גר' אבקת טונגסטן trioxide (WO3) בסירה קוורץ הממוקמת החימום אזור מרכז החימום. לשים את המצע ספיר במורד הנהר ליד הסירה קוורץ המכיל את האבקה3 WO.
    2. להכין סלניום (Se) אבקת בסירה קוורץ נפרדים בצד במעלה הזרם של הכבשן. לשמור את הטמפרטורה שלו ב 260 מעלות צלזיוס במהלך התגובה.
    3. להשתמש Ar/H2 (Ar = 90 sccm, H2 = 6 sccm, טנדר של גוה של 20) גז זרימה כדי להביא האדים3 Se לעבו המצע ספיר תוך חימום לאזור מרכז כדי 925 מעלות צלזיוס.
    4. לשמור על אזור חימום, כשמגיעים הטמפרטורה הרצויה צמיחה של 925 מעלות צלזיוס, למשך 15 דקות, ואז באופן טבעי להתקרר הכבשן לטמפרטורת החדר.
  6. לפברק את משטח מתכת מערכים וסימני יישור.
    1. מכסים את הדפוסים של משטח מתכת מערכים ויישור הסימנים באמצעות פוטוליתוגרפיה תכנים טכניקה.
    2. הפקדה 20 ננומטר/60 ננומטר Ti/Au באמצעות תותח אלקטרונים המאייד.
      הערה: בזהב משתמשים כדי למנוע את oxidization של הידיות מתכת.
    3. להכין ויציפו את הדגימה עד 100 מ"ל של אצטון להמיס יחסי ציבור ולבצע ההמראה. לנער ולפוצץ אצטון תוך מעקב אחר התהליך כולו באמצעות מיקרוסקופ אופטי עד הידיות מתכת ומצביעים.
  7. לבצע תהליך אחר EBL לערוך בשכבות דפוס הצורה רצועת הכלים מעל heterojunction2 MoS - WSe2.
    1. למדוד את העקירה לתאם בין את מיקומי היעד heterojunction2 - WSe2MoS הסימנים יישור באמצעות מיקרוסקופ אופטי ולעצב את הפריסה של רצועת הכלים-צורה על סמך מדידות אלה באמצעות תוכנה (AutoCAD).
    2. יחסי ציבור ספין-קואט, לדוגמה PMMA או P015, על גבי הדגימה ב 2000 סל ד 60 s (טמפרטורת החדר). ודא כי ליחסי ציבור כיסה את הדגימה כולה לאחר ציפוי ספין.
    3. מחממים את המדגם (אופים רך) ב 100 מעלות צלזיוס במשך 90 s להתאדות ממסים ליחסי ציבור ולטייב את הידבקות.
    4. להמיר את פריסת תבנית בשלב 1.7.1 לתוך קובץ מסוים (לדוגמה: קובץ GDS), והעלו אותו התוכנה EBL.
    5. לקבוע את המינון האידיאלי של קרן אלקטרונים המבוססים על רוחב הקווים בפריסה.
      הערה: עבור קו רוחב צר יותר 1 מיקרומטר, המינון האידיאלי של קרן אלקטרונים הוא 110 µC/cm2; עבור 1 ל 5 מיקרומטר קו רוחב, המינון הוא 100 µC/cm2; עבור רוחב קו רחב יותר 5 מיקרומטר, המינון הוא µC/ס מ 802.
    6. להגדיר את המכונה EBL כך העמדה של הסימנים יישור המצע ספיר תואמת את ההתכתבות שלו בפריסה.
    7. להתחיל לחשוף את הדגימה כדי קרן אלקטרונים.
    8. החל PEB על המדגם לאחר חשיפה כדי להפחית את תופעות גלים עומדים. מחממים את הדגימה ב 120 ° C עבור 90 s.
    9. השתמש TMAH 2.38% כמו היזם. לטבול את הדגימה כדי TMAH עבור 80 ס' לשטוף החוצה TMAH עם יונים 200 מ"ל מים 10 s.
    10. בדוק אם התבנית היא התפתחה גם על ידי מיקרוסקופ אופטי.
    11. התנהגות קשה לאפות כדי להיפטר עודף מים בחום PR. המדגם ב 110 מעלות צלזיוס במשך 90 s.
  8. השתמש איכול פלזמה2 O (2nd תחריט) כדי להגדיר heterojunction הלטראלי בצורת רצועת הכלים, להסיר את יחסי ציבור על ידי אצטון.
  9. לבצע את התהליך EBL לערוך בשכבות הדפוס של Ti/Au מתכת האלקטרודות.
    1. למדוד את העקירה לתאם בין את מיקומי היעד heterojunction2 - WSe2MoS הסימנים יישור באמצעות מיקרוסקופ אופטי ולעצב את הפריסה אלקטרודת מתכת על סמך מדידות אלה באמצעות תוכנה (AutoCAD).
    2. יחסי ציבור ספין-קואט, לדוגמה PMMA או P015, על גבי הדגימה ב 2000 סל ד 60 s (טמפרטורת החדר). ודא כי ליחסי ציבור כיסה את הדגימה כולה לאחר ציפוי ספין.
    3. מחממים את המדגם (אופים רך) ב 100 מעלות צלזיוס במשך 90 s להתאדות ממסים ליחסי ציבור ולטייב את הידבקות.
    4. להמיר את פריסת תבנית בשלב 1.9.1 לתוך קובץ מסוים (לדוגמה: קובץ GDS), והעלו אותו התוכנה EBL.
    5. לקבוע את המינון האידיאלי של קרן אלקטרונים המבוססים על הרוחב של קווי מתכת בפריסה.
      הערה: עבור רוחב הקו מתכת צר יותר 1 מיקרומטר, המינון האידיאלי של קרן אלקטרונים הוא 110 µC/cm2; עבור 1 ל 5 מיקרומטר קו רוחב, המינון הוא 100 µC/cm2; עבור רוחב קו רחב יותר 5 מיקרומטר, המינון הוא µC/ס מ 802.
    6. להגדיר את המכונה EBL כך העמדות של הסימנים יישור המצע ספיר תואמת את ההתכתבות שלו בפריסה.
    7. להתחיל לחשוף את הדגימה כדי קרן אלקטרונים.
    8. החל PEB על המדגם לאחר חשיפה כדי להפחית את תופעות גלים עומדים. מחממים את הדגימה ב 120 ° C עבור 90 s.
    9. השתמש TMAH 2.38% כמו היזם. לטבול את הדגימה כדי TMAH עבור 80 ס' לשטוף החוצה TMAH עם יונים 200 מ"ל מים 10 s.
    10. בדוק אם התבנית היא התפתחה גם על ידי מיקרוסקופ אופטי.
    11. התנהגות קשה לאפות כדי להיפטר עודף מים בחום PR. המדגם ב 110 מעלות צלזיוס במשך 90 s.
  10. לבצע את התצהיר מתכת Ti/Au ההמראה
    1. להפקיד Ti/Au מתכת באמצעות תותח אלקטרונים המאייד עם העובי של פחות מ 100 ננומטר, אחרת יהיה קשה להסיר את יחסי ציבור, המתכת לא רצויים על-ידי המראה.
    2. להכין ויציפו את הדגימה עד 100 מ"ל של אצטון להמיס יחסי ציבור ולבצע ההמראה. לנער ולפוצץ אצטון תוך מעקב אחר התהליך כולו באמצעות מיקרוסקופ אופטי עד ישנם רק קווי מתכת, רפידות עזב.
  11. לבצע את התהליך EBL בשלב 1.9 אבל כיסוי דוגמת מילוי של האלקטרודה Pd/Au מתכת במקום Ti/Au.
  12. לבצע תהליך התצהיר ואת המראה מתכת בשלב 1.10 אך להפקיד Pd/Au במקום Ti/Au.

2. תהליך ייצור טרנזיסטורים ממותגת על חזרה 2D

  1. הכינו מצעים2 סי/SiO ממותגת בחזרה עם סימני יישור.
    1. להכין את ביתי או מסחרי של המצע /Si של SiO2.
    2. השתמש פוטוליתוגרפיה או EBL המתבנת טכניקות להגדרת הסימן יישור.
    3. לבצע יון תגובתי תצריב (RIE) על המצע /Si2SiO עד העומק הכולל של אזור היעד מגיע 1000 nm ולהסיר ליחסי ציבור על ידי O פלזמה2 לחשוף את סימני יישור בנוי.
    4. מכסים את הדפוסים של משטח מתכת מערכים באמצעות פוטוליתוגרפיה תכנים טכניקה.
    5. הפקדה 20 ננומטר/60 ננומטר Ti/Au באמצעות תותח אלקטרונים המאייד.
      הערה: בזהב משתמשים כדי להימנע oxidization של הידיות מתכת.
    6. להכין ויציפו את הדגימה עד 100 מ"ל של אצטון להמיס יחסי ציבור ולבצע ההמראה. לנער ולפוצץ אצטון תוך מעקב אחר התהליך כולו על ידי מיקרוסקופ אופטי עד הידיות מתכת ומצביעים.
  2. מבצע CVD של מוס2 המצע ספיר תנור חם-קיר.
    1. המקום 0.6 גר' אבקה3 MoO בסירה קוורץ הממוקמת החימום אזור מרכז החימום. לשים את המצע ספיר במורד הנהר ליד הסירה קוורץ המכיל את האבקה3 MoO.
    2. להכין S אבקת בסירה קוורץ נפרדים בצד במעלה הזרם של הכבשן. לשמור את הטמפרטורה שלו ב 190 מעלות צלזיוס במהלך התגובה.
    3. השתמש ארגון (Ar = 70 sccm, טנדר של גוה של 40) גז זרימה כדי להביא האדים3 S ו- MoO המצע ספיר תוך חימום אזור המרכז עד 750 מעלות צלזיוס.
    4. לשמור על אזור חימום, כשמגיעים הטמפרטורה הרצויה צמיחה של 750 מעלות צלזיוס, למשך 15 דקות, ואז באופן טבעי להתקרר הכבשן לטמפרטורת החדר.
  3. להעביר MoS2 הספיר המצע /Si ממותגת הגב ' של2SiO.
    1. ספין המעיל PMMA עם מהירות סיבוב 3500 סל ד ל 30 s על גבי הסרט2 MoS.
    2. אופים את /sapphire2מוס דוגמה ב 120 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות על מנת לחזק את ציפוי PMMA.
    3. טבלו את מוס2מדגם /Sapphire 50 מ של אמוניה פתרון (14.5%) במשך כ 30 דקות כדי 2 h כדי להפריד את הסרט2 MoS המצע ספיר.
    4. לאסוף את הסרט, להעביר אותו המצע /Si2SiO.
    5. אופים MoS2/SiO2/Si לדוגמה כדי לשפר את הידבקות בין מוס2 SiO2 שכבות. מחממים את המדגם ב 120 מעלות צלזיוס במשך כ 30 דקות כדי 1 h.
    6. הסר את PMMA על ידי שטיפה עם 30 מ של אצטון עבור בסביבות 30 דקות ל- 2 h.
    7. לשטוף את הדגימה עם אלכוהול איזופרופיל ולהשתמש חנקן לפוצץ את זה יבש.
  4. לבצע EBL.
    הערה: יש אין Au דק שהופקדו על המצע /Si2SiO בתהליך EBL מאז סי איכשהו הוא מוליך.
    1. למדוד העקירה לתאם בין המיקומים היעד ואת היישור מסמן באמצעות מיקרוסקופ אופטי, על סמך מדידות אלה, עיצוב פריסת תבנית מתכת האלקטרודות באמצעות תוכנת עיצוב.
      הערה: אלקטרודות מתכת לחבר את הנקודות היעד במדגם2 MoS הידיות מתכת במצע /Si2SiO.
    2. יחסי ציבור ספין-קואט, לדוגמה PMMA או P015, על גבי הדגימה ב 2000 סל ד 60 s (טמפרטורת החדר). ודא כי ליחסי ציבור כיסה המדגם כולו.
    3. מחממים את המדגם (אופים רך) ב 100 מעלות צלזיוס במשך 90 s להתאדות ממסים ליחסי ציבור ולטייב את הידבקות.
    4. להמיר את פריסת תבנית בשלב 2.4.1 לתוך קובץ מסוים (לדוגמה: קובץ GDS), והעלו אותו התוכנה EBL.
    5. לקבוע את המינון האידיאלי של קרן אלקטרונים המבוססים על הרוחב של קווי מתכת בפריסה.
      הערה: עבור רוחב הקו מתכת צר יותר 1 מיקרומטר, המינון האידיאלי של קרן אלקטרונים הוא 110 µC/cm2; עבור 1 ל 5 מיקרומטר קו רוחב, המינון הוא 100 µC/cm2; עבור רוחב קו רחב יותר 5 מיקרומטר, המינון הוא µC/ס מ 802.
    6. להגדיר את המכונה EBL כך העמדה של הסימנים יישור המצע2 סי/SiO תואם את ההתכתבות שלו בפריסה.
    7. להתחיל לחשוף את הדגימה כדי קרן אלקטרונים.
    8. החל PEB על המדגם לאחר חשיפת כדי להפחית את תופעות גלים עומדים. מחממים את הדגימה ב 120 ° C עבור 90 s.
    9. השתמש TMAH 2.38% כמו היזם. לטבול את הדגימה כדי TMAH עבור 80 ס' לשטוף החוצה TMAH עם 200 מ של מים יונים עבור 10 s.
    10. בדוק אם התבנית היא התפתחה גם על ידי מיקרוסקופ אופטי.
    11. התנהגות קשה לאפות כדי להיפטר עודף מים בחום PR. המדגם ב 110 מעלות צלזיוס במשך 90 s.
  5. לבצע את התצהיר Au מתכת ההמראה
    1. להפקיד Au מתכת באמצעות תותח אלקטרונים המאייד עם העובי של פחות מ 100 ננומטר, אחרת יהיה קשה להסיר את יחסי ציבור, המתכת לא רצויים על-ידי המראה.
    2. להכין ויציפו את הדגימה עד 100 מ"ל של אצטון להמיס יחסי ציבור ולבצע ההמראה. לנער ולפוצץ אצטון תוך מעקב אחר התהליך באמצעות מיקרוסקופ אופטי עד ישנם רק קווי מתכת, רפידות עזב.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תהליכי ייצור בהתקן הוחלו על מספר מחקרים של המחבר המקביל הכוללים פיתוח חומרים 2D. בחלק זה, התוצאות של מחקרים אלה מוצגים כדי להדגים את ולייעל של פרוטוקול שנדונו לעיל. טפט של WSe הלטראלי2-MoS2 Q-ואירוקוי20 נבחר להיות הדוגמה הראשונה. בעזרת התהליכים ייצור המכשיר סטנדרטי מפורט בפרוטוקול, חד שכבתי לרוחב WSe2-MoS2 heterojunctions היו מבוגרים (איור 2 א) והמשיך לאחר מכן על ידי היווצרות של Q-ואירוקוי. אנשי קשר מתכת הופקדו מעל heterojunction לרוחב כדי להשלים את Q-ואירוקוי. Ti/Au הופקדו מעל השכבה2 MoS (איור 2 c), ואחריו בתצהיר של המשטרה/Au מעל השכבה2 WSe (איור דו-ממדי). פותחו מספר Q-ואירוקוי לרוחב, כמו האחד עם heterojunction הלטראלי n-p-n-p מאויר באיורים (איור דו-ממדי, 2e). הפונקציה של המכשיר Q-ואירוקוי אומתה על ידי להסתכל לתוך שלו עקומות אופייניים כגון שהפלט שלו (אניC-Vלסה נ) עיקול בבית משותף-פולט תצורה (2f איור). איור 2f מראה כי n-p-n לרוחב Q-ואירוקוי פועלת תחת שני מצבי הפעלה - מצב רוויה, המצב הפעיל - אשר מוכיח כי Q-ואירוקוי שנבנה באמצעות תהליך ייצור, ואכן, פונקציות כמו טרנזיסטור.

התהליך שימש גם לבניית 2D ממותגת הגב התקני MoS2 piezotronic זן/חיל חיישן21 היישום. סרטים באיכות גבוהה משולש חד שכבתי MoS2 היו מסונתז תחילה באמצעות CVD מצע ספיר והעבירו ואז לתוך מצע2 SiO/סי. שאר תהליך יצירת הסרט2 MoS מכשיר piezotronic נדון בסעיף פרוטוקול. איור 3a מראה תמונה מיקרוסקופ (AFM) כוח אטומי של התקן הושלמה המורכב טפט2 משולשים MoS, כמה סטים של מקור/ניקוז (S-D) Au אלקטרודות. ללמוד את הכיוון קיטוב פיזואלקטריים, תוכננו בכוונה מרובים קשר אלקטרודות מסביב לצורת משולש. איור 3b מציג את תרשים סכמטי של המכשיר חיישן piezotronic ואת ההתקנה מציג כמה עומס מכני מוחל על ידי עצה AFM כדי לבחון את ההשפעה פיזואלקטריים שלה. תוצאות באיור 3 c מראים כי במכשיר חיישן הזורם דרך אחת של זוגות אלקטרודה שלה S-D מקטין עבור כל עליה בכוח יישומית ולהיפך, אשר התנהגות צפויה עבור חיישן piezo. יתר על כן, הנתונים דמות תלת-ממד מרמז כי החיישן מפותחת יציב מאז יישום חוזר של כוח יישומית/זן בקושי השתנה הפלט הנוכחי או התגובה שלו.

Figure 1
איור 1. זרימת תהליך סכמטי של מכשירים אלקטרוניים 2D- החצים הכחולים מייצגים את זרימת תהליך ייצור Q-ואירוקוי וחום עבור טרנזיסטור ממותגת הגב 2D. שיבוץ: (א) החומר 2D על המצע הספיר מצופה PMMA; (b) מדגם מחומם בזמן טבולים אמוניה פתרון; (ג) תרשים סכמטי של חומר 2D לאחר התצהיר מתכת ואת תהליך ההמראה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
באיור 2. Q לרוחב מימדי-ואירוקוי. (א). שלב תמונת AFM. תמונת שלב מציג ניגודיות ברורה בין WSe2 ו- MoS2. (b)- micrograph אופטי של סרט heterostructure הלטראלי איפה חומר מסוג n2 MoS וחומר מסוג p הוא WSe2. (ג). micrograph אופטי של מתכת Ti/או שהופקדו מעל מוס2 ברצועת הכלים heterostructure לרוחב. שימו לב כי תמונה זו באותו הסולם כמו (d). (ד). micrograph אופטי של לרוחב Q-ואירוקוי, מציג heterojunction הלטראלי של n−p−n−p. תיבת שחור מקווקו מסמן את המיקום של הכלים heterostructure לרוחב. (ה). מגרש סכמטי של Q-ואירוקוי 2D. הסרטים הצהובים MoS2 monolayers, הסרט האדום הוא חד שכבתי2 WSe. Ti/Au שכבות מתכת מעוצבים להפקיד על מוס2 ואילו משטרת/Au אנשי קשר עם WSe2. (נ.) המאפיינים פלט של n−p−n הלטראלי Q-ואירוקוי ב Vלהיות ערכים שונים. הודפס מחדש באישור של Blaschke, ב. מ, ואח'. 10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3. המכשיר חד שכבתי2 של מוס. (א). תמונת AFM של המכשיר חד שכבתי2 MoS. (b). איור סכמטי של התקן MoS2 מציג כמה עומס מכני מוחל על ידי עצה AFM כדי לבחון את ההשפעה פיזואלקטריים שלה. (ג)- - Vb מאפייני ההתקן2 MoS לעבר כוחות אפלייד שונה בלחץ compressive בעת החלת הכוחות במיקומים מסומן העליון הזחה וכתוצאה מכך זן compressive כפי שמוצג בתוך סכמטי נמוך משבץ. (ד). תגובת הנוכחי CVD טפט MoS2 . מתקן זנים compressive חוזרות ונשנות-מתח הסטייה קבוע של 1 נ' Reprinted באישור Lan, י' וו, ואח'. 8. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

במאמר זה, מודגמות ההליכים מפורט של בדיית אלקטרוניקה חדשניים המבוססים על חומרים 2D בקנה מידה ננומטר. מאז ההליכים הכנה מדגם של כל יישום יש הבדלים אחד עם השני, התהליכים חופף טופלו כמו הפרוטוקול. אלקטרון קרן המתבנת בשילוב עם מיקום גשמי נחישות, אלקטרודת מתכת הגדרת ובכך משמשת הפרוטוקול פה. בין שני סוגי ההתקנים שהוזכרו, הוצגו את כל התהליך של טרנזיסטורים 2D ממותגת הגב, החל מ- רטוב העברת קריסטל יחיד MoS2 סרטים על גבי מצעים /Si2SiO ומסתיים בנקודת המראה מתכת. הסיבה למה המוקד ניתן על 2D בחזרה טרנזיסטורים מגודרת היא הצורך הדחוף של טרנזיסטורים אפקט שדה המבוסס על חומרים 2D משופרת (FETs). לכן, נקודות חשובות הקשורות לתהליך ייצור שלה ויוגדר בפיסקאות הבאות.

ישנם כמה נקודות מסובך בכל שלב הניסויים. ראשית, הקדימות של איתור חומרים ואחריו הסרת PMMA נדרש להימנע ספיחה שלילי תוך חשיפת הסרטים2 MoS לאוויר. אחת הסיבות בביצועים ספיחה. כתוצאה מכך, אפייה המדגם, עם משך זה אמור להיות יותר מ 30 דקות, לאחר ההעברה הוא הכרחי. אחרת, הסרט הוא קל לקלף כאשר המסת PMMA עם אצטון עקב המצורף המסכן של סרטים ושל דיאלקטרי, דבר המתבטא היעלמותו של שבבי-עמדות היעד. המינון של קרן אלקטרונים היא גורם קריטי נוסף עבור המתבנת. המינון קרן אלקטרונים גבוה אינו מתאים דפוסים עם מרווח צר בין אלקטרודות עקב השפעת הקרבה. מצד שני, הפחתת המינון שלה עשוי להוביל לחוסר יכולת להשיג את התבנית אידיאלי. כוונון עדין של הפרמטרים של קרן אלקטרונים ולכן צריך להתנהל. בעיקרון, מתכת דק עדיפה להמראה קל, ועוביו האידיאלית תלויה היישום ואת עובי להתנגד צילום. עבור ה טרנזיסטור 2D בפרויקט זה, מתכת בעובי 100 ננומטר, קביל.

מגבלה אחת של השיטה היא כי ידני נדרש, כך שזה מתאים רק למטרות מחקר. ברגע וופל בקנה מידה טכניקות סינתזה של חומרים אלה להיות מפותח, טכנולוגיית מוליכים המסורתי יכול להשתלט על גישה זו. פשרה בין לקבל איכות גבוהה יותר הרזולוציה, חומר קיים גם, כאשר בוחרים בין הדמיה אופטית את שיטה חלופית באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) בקביעת המיקום גשמי. שיטת הדמיה אופטית המשמשת פרוטוקול זה מספק דיוק בקנה מידה מיקרומטר לאיתור עמדות, בעוד SEM יותר מדויק אבל יכול לגרום נזק בחומר. לכן, באמצעות הדמיה אופטית כפי שהוצע בפרוטוקול תועלתי עד כה

מאז שנות מחקר מחפש הטוב ביותר כדי לפתח חומרים חדשים היא הכרחית, מעבדה היקף הייצור עם הידיים על ניסויים עדיין תופס תפקיד חשוב. . בוודאי, שיטה זו יכול לשמש לא רק עבור חומרים דו-מימדית, אלא גם עבור 1 י ואת החומרים הלא נודעת בעתיד, מרחיבה את האפשרויות של ננו אלקטרוניקה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי המועצה הלאומית למדע, טייוואן תחת חוזה לא. רוב 105-2112-M-003-016-MY3. עבודה זו גם נתמך בחלקה על ידי מעבדות הלאומית של המכשיר ננו ו e-קרן מעבדה בהנדסת חשמל של האוניברסיטה הלאומית של טייוואן.

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics