एक मानक और विश्वसनीय विधि दो आयामी Nanoelectronics बनाना

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Summary

लेख के लिए भविष्य कम आयामी nanoelectronics के विकास के लिए एक मानक और विश्वसनीय निर्माण प्रक्रिया शुरू करना है ।

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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).

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Abstract

दो आयामी (2d) सामग्री उनके अद्वितीय गुण और संभावित अनुप्रयोगों के कारण भारी ध्यान आकर्षित किया है । 2 डी सामग्री के वेफर पैमाने संश्लेषण के बाद से अभी भी नवजात अवस्था में है, वैज्ञानिकों को पूरी तरह से संबंधित अनुसंधान के लिए पारंपरिक अर्धचालक तकनीकों पर भरोसा नहीं कर सकते । इलेक्ट्रोड परिभाषा के लिए सामग्री का पता लगाने से नाजुक प्रक्रियाओं को अच्छी तरह से नियंत्रित करने की आवश्यकता है । इस अनुच्छेद में, एक सार्वभौमिक निर्माण नेनो इलेक्ट्रॉनिक्स, जैसे 2d अर्ध-heterojunction द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर (क्यू HBT), और 2 डी वापस gated ट्रांजिस्टर के रूप में निर्माण में आवश्यक प्रोटोकॉल का प्रदर्शन कर रहे हैं । इस प्रोटोकॉल सामग्री की स्थिति का निर्धारण, इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी (EBL), धातु इलेक्ट्रोड परिभाषा, एट अलशामिल हैं । इन उपकरणों के लिए निर्माण प्रक्रियाओं के कदम कथा द्वारा एक कदम भी प्रस्तुत कर रहे हैं । इसके अलावा, परिणाम बताते है कि गढ़े उपकरणों के प्रत्येक उच्च दोहराव के साथ उच्च प्रदर्शन हासिल किया है । यह काम 2 डी नैनो-इलेक्ट्रॉनिक्स की तैयारी के लिए प्रक्रिया प्रवाह का एक व्यापक विवरण से पता चलता है, अनुसंधान समूहों इस जानकारी का उपयोग करने के लिए सक्षम बनाता है, और भविष्य इलेक्ट्रॉनिक्स की ओर मार्ग प्रशस्त ।

Introduction

पिछले दशकों से, मानव जाति ट्रांजिस्टर के आकार में तेजी से downscale का अनुभव कर रही है और इसके फलस्वरूप, एकीकृत परिपथों (आईसीएस) में ट्रांजिस्टरों की संख्या में घातीय वृद्धि हुई है. यह सिलिकॉन आधारित पूरक धातु-ऑक्साइड अर्धचालक (CMOS) प्रौद्योगिकी1की सतत प्रगति रखता है । इसके अलावा, आकार और गढ़े उपकरणों के प्रदर्शन में इस मौजूदा प्रवृत्ति पर अभी भी कर रहे है मूर कानून है, जो कहा गया है कि इलेक्ट्रॉनिक चिप्स पर ट्रांजिस्टर की संख्या, साथ ही उनके प्रदर्शन, लगभग हर दो साल के डबल्स2के साथ ट्रैक । CMOS ट्रांजिस्टर अधिकांश में मौजूद हैं, नहीं तो सभी, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के बाजार में उपलब्ध है और इस तरह यह मानव जीवन का एक अभिंन हिस्सा बना रही है । इस के कारण, वहां चिप आकार और प्रदर्शन में सुधार के लिए निरंतर मांग कर रहे है जो निर्माताओं को धक्का दिया गया है मूर कानून ट्रैक निंनलिखित रखने के लिए ।

दुर्भाग्य से, मूर के कानून के रूप में और अधिक सिलिकॉन सर्किट के रूप में उत्पंन गर्मी की राशि के लिए अपने अंत के निकट प्रतीत होता है एक छोटे से क्षेत्र2में निचोड़ा है । यह एक ही समय में बेहतर नहीं है, अगर एक ही प्रदान कर सकते हैं कि सामग्री के नए प्रकार के लिए कॉल, एक अपेक्षाकृत छोटे पैमाने में लागू किया जा सकता है और, सिलिकॉन के रूप में प्रदर्शन. हाल ही में, नए होनहार सामग्री कई भौतिक विज्ञान शोध के विषयों गया है । एक आयामी (1 डी) कार्बन नैनोट्यूब3,4,5,6,7, 2d ग्राफीन8,9,10, के रूप में ऐसी सामग्री 11 , 12, और संक्रमण धातु dichalcogenides (TMDs)13,14,15,16,17,18, अच्छे उंमीदवारों कि के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है सिलिकॉन के लिए विकल्प आधारित CMOS और मूर कानून ट्रैक जारी है ।

छोटे पैमाने पर उपकरणों के निर्माण के लिए सफलतापूर्वक इस तरह के लिथोग्राफी और धातु इलेक्ट्रोड परिभाषा के रूप में अन्य निर्माण तकनीकों के लिए आगे बढ़ने के लिए सामग्री के स्थान के सावधान संकल्प की आवश्यकता है. तो, इस पत्र में प्रस्तुत की विधि इस जरूरत को संबोधित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था । पारंपरिक अर्धचालक निर्माण तकनीक19की तुलना में, इस पत्र में प्रस्तुत दृष्टिकोण दर्जी है, जो सामग्री के स्थान को खोजने के मामले में अधिक ध्यान देने की जरूरत है छोटे पैमाने पर उपकरणों के विकास के लिए फिट । इस विधि के उद्देश्य के लिए मज़बूती से 2 डी nanomaterial उपकरणों, जैसे 2d वापस gated ट्रांजिस्टर और क्ष-HBTs, मानक निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग कर बनाना है । यह भविष्य nanodevice घटनाओं के लिए एक मंच के रूप में सेवा के रूप में यह भविष्य में उंनत नैनो-पैमाने पर उपकरणों के उत्पादन की दिशा प्रशस्त कर सकते हैं ।

कार्यवाही अनुभाग में, 2d सामग्री आधारित उपकरणों के लिए निर्माण प्रक्रियाओं अर्थात्, क्ष-HBT और 2d वापस gated ट्रांजिस्टर विस्तार से चर्चा कर रहे हैं । इलेक्ट्रॉन बीम patterning सामग्री स्थान निर्धारण और धातु इलेक्ट्रोड परिभाषा के साथ संयुक्त के बाद से वे दोनों उल्लेख किया प्रक्रियाओं में आवश्यक है प्रोटोकॉल शामिल हैं । भाग 1 Q-HBTs20के चरण-दर-चरण निर्माण प्रक्रिया की चर्चा करता है; और भाग 2 को एक सार्वभौमिक दृष्टिकोण को प्रदर्शित करता है रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) मोलिब्डेनम डाइसल्फ़ाइड (राज्यमंत्री2) वापस-gated ट्रांजिस्टर स्थानांतरण से लिफ्ट-बंद21, जो पूरी तरह से लेख में दिखाया गया है प्राप्त करने के लिए । विस्तृत प्रक्रिया प्रवाह (चित्रा 1) में सचित्र है ।

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Protocol

1.2d अर्ध heterojunction ट्रांजिस्टर निर्माण प्रक्रिया

  1. कमर्शियल सी प्लेन नीलम तैयार करें ।
    1. पूरी सिंगल साइड पॉलिश वाली नीलम (2 इंच) को एसीटोन के साथ धो लें ।
    2. isopropyl शराब के साथ नीलमणि सब्सट्रेट कुल्ला ।
  2. एक गर्म दीवार भट्ठी में सीवीडी का उपयोग कर नीलमणि सब्सट्रेट पर राज्यमंत्री2 बढे ।
    1. प्लेस मोलिब्डेनम trioxide के ०.६ जी (मू3) पाउडर एक क्वार्ट्ज भट्ठी के हीटिंग जोन केंद्र में स्थित नाव में । नीलमणि सब्सट्रेट नीचे रखो मू3 पाउडर युक्त क्वार्ट्ज नाव के बगल में ।
    2. भट्ठी के ऊपर की ओर एक अलग क्वार्ट्ज नाव में सल्फर (एस) पाउडर तैयार करें । प्रतिक्रिया के दौरान १९० डिग्री सेल्सियस पर अपने तापमान बनाए रखें ।
    3. का प्रयोग करें आर्गन (Ar = ७० sccm, ४० Torr) गैस के प्रवाह को लाने के एस और मू3 वाष्प नीलमणि सब्सट्रेट करने के लिए ७५० डिग्री सेल्सियस के लिए केंद्र क्षेत्र हीटिंग, जबकि ।
    4. हीटिंग क्षेत्र रखें, ७५० डिग्री सेल्सियस के वांछित विकास तापमान तक पहुंचने के बाद 15 मिनट के लिए और फिर स्वाभाविक रूप से कमरे के तापमान को भट्ठी शांत ।
  3. प्रदर्शन EBL ।
    नोट: के बारे में 5 एनएम के एक पतली Au नीलमणि सब्सट्रेट पर सभी EBL प्रक्रियाओं के दौरान निर्वहन के लिए sputtering द्वारा जमा किया गया था
    1. की पहचान, एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप, एक क्षेत्र है जहां राज्यमंत्री2 monolayer गुच्छे का उपयोग कर मनाया जाता है, तो उस विशिष्ट क्षेत्र के लिए पट्टी पैटर्न लेआउट डिजाइन एक डिजाइन सॉफ्टवेयर (AutoCAD) का उपयोग कर ।
    2. स्पिन-कोट photoresist (पीआर), उदाहरण के लिए polymethyl methacrylate (पीएमएमए) या P015, ६० s (कमरे के तापमान) के लिए २००० rpm पर नमूने के शीर्ष पर । सुनिश्चित करें कि पीआर स्पिन कोटिंग के बाद पूरे नमूने को कवर किया गया है ।
    3. पीआर में सॉल्वैंट्स लुप्त हो जाना और आसंजन को बढ़ाने के लिए ९० एस के लिए १०० ° c पर नमूना (शीतल सेंकना) गर्मी ।
    4. चरण 1.3.1 में प्रतिमान लेआउट को किसी विशिष्ट फ़ाइल में कनवर्ट करें (उदाहरण: GDS फ़ाइल), और इसे EBL सॉफ़्टवेयर में अपलोड करे ।
    5. लेआउट में लाइनों की चौड़ाई के आधार पर इलेक्ट्रॉन बीम की आदर्श खुराक निर्धारित करें ।
      नोट: 1 µm से लाइन चौड़ाई संकरा के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम की आदर्श खुराक ११० µC/ 1 से 5 µm लाइन चौड़ाई के लिए, खुराक १०० µC/ और लाइन चौड़ाई 5 µm से व्यापक के लिए, खुराक ८० µC/
    6. इलेक्ट्रॉन बीम के लिए नमूना उजागर शुरू करो ।
    7. पोस्ट-एक्सपोजर सेंकना (पभव) नमूने पर जोखिम के बाद क्रम में खड़े लहर प्रभाव को कम करने के लिए लागू होते हैं । ९० एस के लिए १२० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
    8. डेवलपर के रूप में tetramethylammonium हीड्राकसीड (TMAH) २.३८% का उपयोग करें । ८० एस के लिए TMAH के लिए नमूने विसर्जित कर दिया । 10 एस के लिए TMAH पानी की २०० मिलीलीटर के साथ बाहर धोने ।
    9. पैटर्न अच्छी तरह से ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी द्वारा विकसित की है, तो जांच करें ।
    10. आचरण हार्ड सेंकना पीआर में अतिरिक्त पानी से छुटकारा पाने के लिए । ९० एस के लिए ११० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
  4. धारी संरचनाओं का उपयोग कर ५० W ऑक्सीजन (O2) प्लाज्मा नक़्क़ाशी (1सेंट नक़्क़ाशी) को परिभाषित करने के लिए 30 एस 2 मिनट के लिए और एसीटोन के ५० मिलीलीटर का उपयोग कर पीआर निकालें ।
  5. विकसित टंगस्टन diselenide (WSe2) लक्ष्य स्थान है, जो नीलमणि सब्सट्रेट पर पहले से ही विद्यमान राज्यमंत्री2 धारियों के बीच WSe2 परत की एक पसंदीदा विकास में परिणाम होगा पर सीवीडी का उपयोग कर ।
    1. एक क्वार्ट्ज नाव भट्ठी के हीटिंग जोन केंद्र पर स्थित में टंगस्टन trioxide (हाय3) पाउडर के ०.६ ग्राम प्लेस । नीलम सब्सट्रेट नीचे की और हाय3 पाउडर युक्त क्वार्ट्ज नाव के बगल में रखो ।
    2. तैयार सेलेनियम (एसई) पाउडर भट्ठी के ऊपर की ओर एक अलग क्वार्ट्ज नाव में । प्रतिक्रिया के दौरान २६० डिग्री सेल्सियस पर अपने तापमान बनाए रखें ।
    3. ar/H2 का उपयोग करें (ar = ९० sccm, h2 = 6 sccm, 20 Torr) गैस प्रवाह को नीलमणि सब्सट्रेट करने के लिए एसई और हाय3 वाष्प लाने के लिए ९२५ डिग्री सेल्सियस के लिए केंद्र क्षेत्र हीटिंग, जबकि ।
    4. हीटिंग क्षेत्र रखें, ९२५ डिग्री सेल्सियस के वांछित विकास तापमान तक पहुंचने के बाद 15 मिनट के लिए और फिर स्वाभाविक रूप से कमरे के तापमान को भट्ठी शांत ।
  6. धातु पैड arrays और संरेखण अंक बनाना ।
    1. धातु पैड arrays के पैटर्न ओवरले और photolithography पैटर्न तकनीक का उपयोग कर निशान संरेखण ।
    2. जमा 20 एनएम/इलेक्ट्रॉन गन वाष्पक का उपयोग कर Au ती/
      नोट: गोल्ड धातु पैड के ऑक्सीकरण से बचने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
    3. तैयार करने और एसीटोन के १०० मिलीलीटर करने के लिए पीआर भंग और प्रदर्शन लिफ्ट बंद करने के लिए नमूने को जलमग्न । शेक और एसीटोन झटका जबकि ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के माध्यम से पूरी प्रक्रिया की निगरानी जब तक धातु पैड स्पष्ट हो जाते हैं ।
  7. राज्यमंत्री2-WSe2 heterojunction के शीर्ष पर रिबन आकृति प्रतिमान अधिव्याप्त करने के लिए अंय EBL प्रक्रिया निष्पादित करें ।
    1. राज्यमंत्री2में लक्ष्य स्थानों के बीच समंवय विस्थापन उपाय-WSe2 heterojunction और संरेखण के निशान ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग और इन माप के आधार पर एक सॉफ्टवेयर (AutoCAD) का उपयोग कर रिबन आकार लेआउट डिजाइन ।
    2. स्पिन-कोट पीआर, उदाहरण के लिए पीएमएमए या P015, ६० s (कमरे के तापमान) के लिए २००० rpm पर नमूने के शीर्ष पर । सुनिश्चित करें कि पीआर स्पिन कोटिंग के बाद पूरे नमूने को कवर किया गया है ।
    3. पीआर में सॉल्वैंट्स लुप्त हो जाना और आसंजन को बढ़ाने के लिए ९० एस के लिए १०० ° c पर नमूना (शीतल सेंकना) गर्मी ।
    4. चरण 1.7.1 में प्रतिमान लेआउट को किसी विशिष्ट फ़ाइल में कनवर्ट करें (उदाहरण: GDS फ़ाइल), और इसे EBL सॉफ़्टवेयर में अपलोड करे ।
    5. लेआउट में लाइनों की चौड़ाई के आधार पर इलेक्ट्रॉन बीम की आदर्श खुराक निर्धारित करें ।
      नोट: 1 µm से लाइन चौड़ाई संकरा के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम की आदर्श खुराक ११० µC/ 1 से 5 µm लाइन चौड़ाई के लिए, खुराक १०० µC/ और लाइन चौड़ाई 5 µm से व्यापक के लिए, खुराक ८० µC/
    6. EBL मशीन को इस तरह सेट करें कि नीलम सब्सट्रेट में संरेखण चिह्नों की स्थिति लेआउट में उसके पत्राचार से मेल खाती हो.
    7. इलेक्ट्रॉन बीम के लिए नमूना उजागर शुरू करो ।
    8. जोखिम के बाद नमूने पर पभव लागू क्रम में खड़े लहर प्रभाव को कम करने के लिए । ९० एस के लिए १२० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
    9. डेवलपर के रूप में TMAH २.३८% का उपयोग करें । ८० के लिए TMAH के लिए नमूने विसर्जित एस । 10 एस के लिए २०० मिलीलीटर जल के साथ TMAH बाहर धो लें ।
    10. पैटर्न अच्छी तरह से ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी द्वारा विकसित की है, तो जांच करें ।
    11. आचरण हार्ड सेंकना पीआर में अतिरिक्त पानी से छुटकारा पाने के लिए । ९० एस के लिए ११० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
  8. का प्रयोग करें O2 प्लाज्मा नक़्क़ाशी (2एन डी नक़्क़ाशी) एक रिबन के आकार पार्श्व heterojunction को परिभाषित करने के लिए, और एसीटोन द्वारा पीआर हटा दें ।
  9. Ti/Au धातु इलेक्ट्रोड के प्रतिमान ओवरले करने के लिए EBL प्रक्रिया निष्पादित करें ।
    1. राज्यमंत्री2में लक्ष्य स्थानों के बीच समंवय विस्थापन उपाय-WSe2 heterojunction और संरेखण के निशान ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी का उपयोग और इन माप के आधार पर एक सॉफ्टवेयर (AutoCAD) का उपयोग कर धातु इलेक्ट्रोड लेआउट डिजाइन ।
    2. स्पिन-कोट पीआर, उदाहरण के लिए पीएमएमए या P015, ६० s (कमरे के तापमान) के लिए २००० rpm पर नमूने के शीर्ष पर । सुनिश्चित करें कि पीआर स्पिन कोटिंग के बाद पूरे नमूने को कवर किया गया है ।
    3. पीआर में सॉल्वैंट्स लुप्त हो जाना और आसंजन को बढ़ाने के लिए ९० एस के लिए १०० ° c पर नमूना (शीतल सेंकना) गर्मी ।
    4. चरण 1.9.1 में प्रतिमान लेआउट को किसी विशिष्ट फ़ाइल में कनवर्ट करें (उदाहरण: GDS फ़ाइल), और इसे EBL सॉफ़्टवेयर में अपलोड करे ।
    5. लेआउट में धातु लाइनों की चौड़ाई के आधार पर इलेक्ट्रॉन बीम की आदर्श खुराक निर्धारित करें ।
      नोट: धातु रेखा चौड़ाई परिमित से 1 µm के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम की आदर्श खुराक ११० µC/ 1 से 5 µm लाइन चौड़ाई के लिए, खुराक १०० µC/ और लाइन चौड़ाई 5 µm से व्यापक के लिए, खुराक ८० µC/
    6. EBL मशीन को इस तरह सेट करें कि नीलम सब्सट्रेट में संरेखण चिह्नों की स्थिति लेआउट में उसके पत्राचार से मेल खाती हो.
    7. इलेक्ट्रॉन बीम के लिए नमूना उजागर शुरू करो ।
    8. जोखिम के बाद नमूने पर पभव लागू क्रम में खड़े लहर प्रभाव को कम करने के लिए । ९० एस के लिए १२० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
    9. डेवलपर के रूप में TMAH २.३८% का उपयोग करें । ८० के लिए TMAH के लिए नमूने विसर्जित एस । 10 एस के लिए २०० मिलीलीटर जल के साथ TMAH बाहर धो लें ।
    10. पैटर्न अच्छी तरह से ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी द्वारा विकसित की है, तो जांच करें ।
    11. आचरण हार्ड सेंकना पीआर में अतिरिक्त पानी से छुटकारा पाने के लिए । ९० एस के लिए ११० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
  10. प्रदर्शन Ti/Au धातु जमाव और लिफ्ट बंद
    1. माज ती/१०० एनएम से कम की मोटाई के साथ इलेक्ट्रॉन गन वाष्पीकरण का उपयोग कर धातु, अन्यथा, लिफ्ट द्वारा पीआर और अवांछित धातु को दूर करने के लिए मुश्किल हो जाएगा ।
    2. तैयार करने और एसीटोन के १०० मिलीलीटर करने के लिए पीआर भंग और प्रदर्शन लिफ्ट बंद करने के लिए नमूने को जलमग्न । शेक और एसीटोन झटका जबकि ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के माध्यम से पूरी प्रक्रिया की निगरानी जब तक वहां केवल धातु लाइनों और पैड छोड़ दिया है ।
  11. चरण १.९ में EBL प्रक्रिया निष्पादित करें लेकिन पीडी/au धातु इलेक्ट्रोड के बजाय Ti/au के पैटर्न ओवरले ।
  12. चरण १.१० में धातु जमाव और लिफ्ट बंद प्रक्रिया निष्पादित करें, लेकिन Ti/au के बजाय/

2. वापस 2d-gated ट्रांजिस्टर निर्माण प्रक्रिया

  1. संरेखण के निशान के साथ वापस तैयार-gated Si/सिइओ2 सब्सट्रेट ।
    1. घर या वाणिज्यिक सिइओ2/Si सब्सट्रेट तैयार करें ।
    2. संरेखण चिह्न निर्धारित करने के लिए photolithography या EBL प्रतिमान तकनीकों का उपयोग करें ।
    3. सिइओ2/Si सब्सट्रेट पर प्रतिक्रियाशील आयन नक़्क़ाशी (रिे) प्रदर्शन लक्ष्य क्षेत्र की कुल गहराई तक १००० एनएम तक पहुँच जाता है और गठन संरेखण के निशान प्रकट करने के लिए ओ2 प्लाज्मा द्वारा पीआर हटाने.
    4. photolithography पैटर्न तकनीक का उपयोग कर धातु पैड arrays के पैटर्न ओवरले ।
    5. जमा 20 एनएम/इलेक्ट्रॉन गन वाष्पक का उपयोग कर Au ती/
      नोट: गोल्ड धातु पैड के ऑक्सीकरण से बचने के लिए प्रयोग किया जाता है ।
    6. तैयार करने और एसीटोन के १०० मिलीलीटर करने के लिए पीआर भंग और प्रदर्शन लिफ्ट बंद करने के लिए नमूने को जलमग्न । शेक और एसीटोन झटका जबकि ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी द्वारा पूरी प्रक्रिया की निगरानी जब तक धातु पैड स्पष्ट हो जाते हैं ।
  2. एक गर्म दीवार भट्ठी में नीलमणि सब्सट्रेट पर राज्यमंत्री2 के सीवीडी प्रदर्शन ।
    1. प्लेस एक क्वार्ट्ज भट्ठी के हीटिंग जोन केंद्र में स्थित नाव में मू3 पाउडर के ०.६ जी । नीलमणि सब्सट्रेट नीचे रखो मू3 पाउडर युक्त क्वार्ट्ज नाव के बगल में ।
    2. भट्ठी के ऊपर की ओर एक अलग क्वार्ट्ज नाव में एस पाउडर तैयार करें । प्रतिक्रिया के दौरान १९० डिग्री सेल्सियस पर अपने तापमान बनाए रखें ।
    3. का प्रयोग करें आर्गन (Ar = ७० sccm, ४० Torr) गैस के प्रवाह को लाने के एस और मू3 वाष्प नीलमणि सब्सट्रेट करने के लिए ७५० डिग्री सेल्सियस के लिए केंद्र क्षेत्र हीटिंग, जबकि ।
    4. हीटिंग क्षेत्र रखें, ७५० डिग्री सेल्सियस के वांछित विकास तापमान तक पहुंचने के बाद 15 मिनट के लिए और फिर स्वाभाविक रूप से कमरे के तापमान को भट्ठी शांत ।
  3. तबादला राज्यमंत्री2 नीलम से पीठ तक-gated सिइओ2/Si सब्सट्रेट.
    1. राज्यमंत्री2 फिल्म के शीर्ष पर 30 एस के लिए ३५०० आरपीएम की स्पिन स्पीड के साथ स्पिन कोट पीएमएमए ।
    2. पीएमएमए कोटिंग को मजबूत करने के लिए 3 मिनट के लिए १२० ° c पर राज्यमंत्री2/sapphire नमूना बनाओ ।
    3. में राज्यमंत्री 2/Sapphire नमूना डुबकी अमोनिया समाधान के ५० मिलीलीटर (१४.५%) लगभग 30 मिनट के लिए 2 ज को नीलम सब्सट्रेट से राज्यमंत्री2 फिल्म अलग ।
    4. फिल्म उठाओ और यह सिइओ2/Si सब्सट्रेट करने के लिए स्थानांतरण ।
    5. राज्यमंत्री 2 औरसिइओ2 परतों के बीच आसंजन को बढ़ाने के क्रम में 2/SiO2/Si नमूना बनाओ । 1 घंटे के लिए लगभग 30 मिनट के लिए १२० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
    6. 30 मिनट के आसपास के लिए एसीटोन के 30 मिलीलीटर के साथ इसे धोने से पीएमएमए निकालें 2 ज ।
    7. isopropyl शराब के साथ नमूना कुल्ला और यह सूखी उड़ाने के लिए नाइट्रोजन का उपयोग करें ।
  4. प्रदर्शन EBL ।
    नोट: एसआई किसी भी तरह प्रवाहकीय है के बाद से EBL प्रक्रिया के दौरान सिइओ2/Si सब्सट्रेट पर जमा कोई पतली Au है.
    1. लक्ष्य स्थानों के बीच समन्वय विस्थापन को मापने और ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप का उपयोग कर संरेखण के निशान और, इन माप के आधार पर, एक डिजाइन सॉफ्टवेयर का उपयोग कर धातु इलेक्ट्रोड के पैटर्न लेआउट डिजाइन.
      नोट: धातु इलेक्ट्रोड सिइओ2/Si सब्सट्रेट में धातु पैड के लिए राज्यमंत्री2 नमूने में लक्ष्य अंक कनेक्ट.
    2. स्पिन-कोट पीआर, उदाहरण के लिए पीएमएमए या P015, ६० s (कमरे के तापमान) के लिए २००० rpm पर नमूने के शीर्ष पर । सुनिश्चित करें कि पीआर पूरे नमूना कवर किया गया है ।
    3. पीआर में सॉल्वैंट्स लुप्त हो जाना और आसंजन को बढ़ाने के लिए ९० एस के लिए १०० ° c पर नमूना (शीतल सेंकना) गर्मी ।
    4. चरण 2.4.1 में प्रतिमान लेआउट को किसी विशिष्ट फ़ाइल में कनवर्ट करें (उदाहरण: GDS फ़ाइल), और इसे EBL सॉफ़्टवेयर में अपलोड करे ।
    5. लेआउट में धातु लाइनों की चौड़ाई के आधार पर इलेक्ट्रॉन बीम की आदर्श खुराक निर्धारित करें ।
      नोट: धातु रेखा चौड़ाई परिमित से 1 µm के लिए, इलेक्ट्रॉन बीम की आदर्श खुराक ११० µC/ 1 से 5 µm लाइन चौड़ाई के लिए, खुराक १०० µC/ और लाइन चौड़ाई 5 µm से व्यापक के लिए, खुराक ८० µC/
    6. EBL मशीन सेट करें जैसे कि Si/सिइओ2 सब्सट्रेट में संरेखण चिह्न की स्थिति लेआउट में अपने पत्राचार से मेल खाता है ।
    7. इलेक्ट्रॉन बीम के लिए नमूना उजागर शुरू करो ।
    8. जोखिम के बाद नमूने पर पभव लागू क्रम में खड़े लहर प्रभाव को कम करने के लिए । ९० एस के लिए १२० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
    9. डेवलपर के रूप में TMAH २.३८% का उपयोग करें । ८० एस के लिए TMAH के लिए नमूने विसर्जित कर दिया । 10 एस के लिए TMAH पानी की २०० मिलीलीटर के साथ बाहर धोने ।
    10. पैटर्न अच्छी तरह से ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी द्वारा विकसित की है, तो जांच करें ।
    11. आचरण हार्ड सेंकना पीआर में अतिरिक्त पानी से छुटकारा पाने के लिए । ९० एस के लिए ११० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी ।
  5. प्रदर्शन Au धातु जमाव और लिफ्ट बंद
    1. जमा Au धातु से कम १०० एनएम की मोटाई के साथ इलेक्ट्रॉन गन वाष्पीकरण का उपयोग, अंयथा, यह पीआर और अवांछित धातु लिफ्ट द्वारा दूर करने के लिए मुश्किल हो जाएगा ।
    2. तैयार करने और एसीटोन के १०० मिलीलीटर करने के लिए पीआर भंग और प्रदर्शन लिफ्ट बंद करने के लिए नमूने को जलमग्न । शेक और एसीटोन झटका जबकि ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी के माध्यम से प्रक्रिया की निगरानी जब तक वहां केवल धातु लाइनों और पैड छोड़ दिया है ।

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Representative Results

डिवाइस निर्माण प्रक्रियाओं इसी लेखक के 2d सामग्री उपकरणों के विकास को शामिल शोध के कई करने के लिए लागू किया गया है । इस भाग में, इन शोध के कुछ परिणामों के ऊपर चर्चा प्रोटोकॉल के effectivity प्रदर्शन प्रस्तुत कर रहे हैं । पार्श्व WSeके एक monolayer-राज्यमंत्री प्र-HBT२० को प्रथम उदाहरण के रूप में चुना गया है. प्रोटोकॉल में विस्तृत मानक डिवाइस निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करना, monolayer पार्श्व WSe2-राज्यमंत्री2 heterojunctions बड़े हो गए थे (चित्रा 2a) और फिर क्ष-HBT के गठन के द्वारा दीं । क्यू-HBT को पूरा करने के लिए पार्श्व heterojunction के शीर्ष पर धातु संपर्क जमा किए गए थे. Ti/au के शीर्ष पर जमा किए गए थे राज्यमंत्री2 परत (चित्रा 2c), WSe2 परत (चित्रा 2d) के शीर्ष पर पीडी/au के जमाव के बाद । कई पार्श्व क्ष-HBT, जैसे एक n-p-n-p पार्श्व heterojunction में सचित्र (चित्रा 2d, 2e) के साथ एक के रूप में विकसित किए गए थे । Q-HBT डिवाइस के समारोह में अपनी विशिष्ट घटता में देख कर सत्यापित किया गया था जैसे इसके उत्पादन (IC-VCE) वक्र आम-उत्सर्जक विंयास (चित्रा 2f) में । चित्रा 2f से पता चलता है कि पार्श्व n-p-n Q-HBT दो ऑपरेटिंग मोड के तहत काम करता है-संतृप्ति मोड और सक्रिय मोड-जो साबित करता है कि क्यू-HBT कि निर्माण की प्रक्रिया का उपयोग कर बनाया गया था, वास्तव में, एक ट्रांजिस्टर के रूप में कार्य.

इस प्रक्रिया के लिए 2 डी बैक-gated उपकरणों का निर्माण करने के लिए भी किया गया था- राज्यमंत्री piezotronic तनाव/ उच्च गुणवत्ता त्रिकोणीय monolayer राज्यमंत्री2 फिल्मों पहले एक नीलमणि सब्सट्रेट में सीवीडी का उपयोग कर संश्लेषित किया गया और फिर एक एसआई/सिइओ2 सब्सट्रेट में स्थानांतरित कर दिया । एक piezotronic डिवाइस में राज्यमंत्री2 फिल्म बनाने की प्रक्रिया के बाकी प्रोटोकॉल अनुभाग में चर्चा की है । 3 डी चित्रा एक पूर्ण एक त्रिकोणीय राज्यमंत्री2 monolayer और स्रोत के कई सेट के साथ एक डिवाइस के एक परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM) छवि दिखाता है/ piezoelectric ध्रुवीकरण दिशा का अध्ययन करने के लिए, त्रिकोण आकार के आसपास एकाधिक संपर्क इलेक्ट्रोड जानबूझकर डिजाइन किए गए थे. चित्र बी piezotronic सेंसर डिवाइस के योजनाबद्ध आरेख और कैसे एक यांत्रिक लोड एक AFM टिप द्वारा लागू करने के लिए अपने piezoelectric प्रभाव का परीक्षण कर रहा है दिखा सेटअप प्रस्तुत करता है । चित्रा 3 सी में परिणाम दिखाने के लिए कि सेंसर डिवाइस के वर्तमान के माध्यम से अपने एस डी इलेक्ट्रोड जोड़े बहने लागू बल में हर वृद्धि और इसके विपरीत है, जो एक पीजो संवेदक के लिए एक अपेक्षित व्यवहार है के लिए कम हो जाती है. इसके अलावा, चित्रा 3 डी में डेटा का तात्पर्य है कि विकसित संवेदक लागू बल की एक दोहरा आवेदन के बाद से स्थिर है/

Figure 1
चित्र 1. 2 डी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के योजनाबद्ध प्रक्रिया प्रवाह । नीले तीर 2 डी वापस gated ट्रांजिस्टर के लिए क्यू-HBT और ब्राउन के निर्माण प्रक्रिया प्रवाह का प्रतिनिधित्व करते हैं । इनसेट: (क) नीलमणि सब्सट्रेट पर 2d सामग्री पीएमएमए के साथ लेपित; (ख) एक नमूना गर्म जबकि अमोनिया समाधान में लथपथ; (ग) धातु जमाव और लिफ्ट से प्रक्रिया के बाद एक 2d सामग्री की योजनाबद्ध आरेख । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2. दो आयामी पार्श्व Q-HBT । (क). AFM की चरण छवि. चरण छवि WSe2 और राज्यमंत्री2के बीच स्पष्ट विपरीत दिखाता है । (ख). एक पार्श्व heterostructure रिबन के ऑप्टिकल micrograph जहां n प्रकार सामग्री है राज्यमंत्री2 और पी-प्रकार सामग्री2WSe है । (ग). धातु के ऑप्टिकल micrograph ती/Au ने पार्श्व heterostructure रिबन में राज्यमंत्री2 के शीर्ष पर जमा किया । ध्यान दें कि इस छवि में (d) के रूप में समान स्केल है । (घ). पार्श्व Q-HBT के ऑप्टिकल micrograph, एक n − p − n − p पार्श्व heterojunction दिखा रहा है । काला डैश्ड बॉक्स पार्श्व heterostructure रिबन की स्थिति को चिह्नित करता है । (ङ). एक 2d क्ष-HBT की योजनाबद्ध भूखंड । येलो रिबन पर राज्यमंत्री2 monolayers हैं और रेड रिबन WSe2 monolayer है । तिवारी au धातु परतें 2 राज्यमंत्री पर जमा करने के लिए डिज़ाइन कर रहे हैं, जबकि पीडी/WSe2के साथ संपर्क । (च). पार्श्व एन − पी − एन क्यू-HBT की आउटपुट विशेषताएँ भिन्न वि पर मान कीजा रही हैं. Blaschke, बी. एम., एट अलसे अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित । 10. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3. राज्यमंत्री monolayer. (क). राज्यमंत्री monolayer यन्त्र की AFM छवि. (ख). एक राज्यमंत्री2 डिवाइस दिखा कैसे एक यांत्रिक लोड एक AFM टिप द्वारा लागू करने के लिए अपनी piezoelectric प्रभाव का परीक्षण किया जाता है एक उपकरण के योजनाबद्ध चित्रण । (ग). I-वीबी विशेषताओं के संपीड़न तनाव के तहत अलग लागू बलों में राज्यमंत्री2 डिवाइस में चिह्नित स्थानों पर बलों को लागू करते समय ऊपरी इनसेट में जिसके परिणामस्वरूप में निचले में योजनाबद्ध रूप से दिखाया गया है insets. (घ). सीवीडी monolayer राज्यमंत्री की वर्तमान प्रतिक्रिया एक निश्चित पूर्वाग्रह वोल्टेज पर दोहराया संपीड़न उपभेदों में2 डिवाइस लैन, वाई. डब्ल्यू., एट अलसे अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित । 8. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

इस लेख में, नैनोमीटर स्केल में 2d सामग्री पर आधारित उपंयास इलेक्ट्रॉनिक्स के निर्माण की विस्तृत प्रक्रियाओं का प्रदर्शन किया है । प्रत्येक अनुप्रयोग के नमूना तैयारी प्रक्रियाओं के बाद एक दूसरे के साथ मतभेद है, ओवरलैप प्रक्रियाओं प्रोटोकॉल के रूप में माना गया. इलेक्ट्रॉन बीम पैटर्न सामग्री स्थान निर्धारण और धातु इलेक्ट्रोड परिभाषा के साथ संयुक्त इस प्रकार प्रोटोकॉल के रूप में यहां कार्य करता है । उपकरणों के दो प्रकार के अलावा, 2d वापस की पूरी प्रक्रिया-gated ट्रांजिस्टर सिइओ2/Si सब्सट्रेट पर एकल क्रिस्टल राज्यमंत्री2 फिल्मों के हस्तांतरण और धातु लिफ्ट में समाप्त होने से शुरू-बंद प्रस्तुत किए गए । कारण है कि ध्यान 2 डी पर दिया जाता है वापस gated ट्रांजिस्टर सुधार 2d सामग्री की तत्काल जरूरत है-आधारित क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (एफईटी). इसलिए, इसके निर्माण की प्रक्रिया से संबंधित महत्वपूर्ण बिंदुओं को निंनलिखित पैराग्राफ में बल दिया जाएगा ।

प्रयोगों के हर कदम में कुछ पेचीदा बिंदु होते हैं । सबसे पहले, पीएमएमए को हटाने के बाद पता लगाने सामग्री की तरजीह के लिए प्रतिकूल सोखना से बचने के लिए आवश्यक है जबकि राज्यमंत्री2 फिल्मों को हवा में उजागर । सोखना प्रदर्शन क्षरण के कारणों में से एक है । नतीजतन, नमूना पकाना, एक अवधि है कि अधिक से अधिक 30 मिनट माना जाता है के साथ, हस्तांतरण के बाद आवश्यक है । अंयथा, फिल्म और अचालक के खराब लगाव के कारण एसीटोन के साथ पीएमएमए भंग जब बंद किया जा करने के लिए आसान है, जो लक्ष्य पदों पर गुच्छे के गायब होने में परिणाम है । इलेक्ट्रॉन बीम की खुराक पैटर्न के लिए एक और महत्वपूर्ण कारक है । उच्च इलेक्ट्रॉन बीम खुराक निकटता प्रभाव के कारण इलेक्ट्रोड के बीच संकीर्ण रिक्ति के साथ पैटर्न के लिए उपयुक्त नहीं है । दूसरी ओर, अपनी खुराक को कम करने के लिए आदर्श पैटर्न को प्राप्त करने में असमर्थता पैदा कर सकता है । इलेक्ट्रॉन बीम के मापदंडों की ठीक ट्यूनिंग इसलिए किए जाने की जरूरत है. मूलतः, एक पतली धातु आसान लिफ्ट के लिए बेहतर है, और इसके आदर्श मोटाई आवेदन पर निर्भर करता है और तस्वीर का विरोध की मोटाई । इस परियोजना में 2d ट्रांजिस्टर के लिए, १०० एनएम के नीचे धातु की मोटाई स्वीकार्य है ।

विधि की एक सीमा है कि मैनुअल आपरेशन की आवश्यकता है, तो यह केवल अनुसंधान प्रयोजनों के लिए उपयुक्त है । एक बार इन सामग्रियों के वेफर पैमाने पर संश्लेषण तकनीक अच्छी तरह से विकसित हो जाते हैं, पारंपरिक अर्धचालक प्रौद्योगिकी इस दृष्टिकोण पर ले जा सकते हैं । इसके अलावा, एक उच्च संकल्प और सामग्री की गुणवत्ता प्राप्त करने के बीच एक व्यापार से मौजूद है जब ऑप्टिकल इमेजिंग और वैकल्पिक सामग्री स्थान निर्धारित करने में इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) स्कैनिंग का उपयोग कर विधि के बीच चयन । ऑप्टिकल इमेजिंग विधि इस प्रोटोकॉल में इस्तेमाल किया पदों का पता लगाने के लिए माइक्रोमीटर पैमाने पर सटीक प्रदान करता है, जबकि SEM और अधिक सटीक है, लेकिन सामग्री में नुकसान पैदा सकता है । इसलिए, ऑप्टिकल इमेजिंग प्रोटोकॉल में प्रस्तावित के रूप में उपयोग करके अब तक सबसे समीचीन है ।

सबसे अच्छा तरीका है नई सामग्री विकसित करने के लिए मांग अनुसंधान के वर्षों के बाद से अपरिहार्य है, हाथ के साथ प्रयोगशाला गुंजाइश निर्माण-प्रयोगों पर अभी भी एक महत्वपूर्ण स्थिति में रह रहे हैं । निश्चित रूप से, इस विधि न केवल 2d सामग्री के लिए, लेकिन यह भी 1 डी और भविष्य में अनदेखा सामग्री के लिए सेवा कर सकते हैं, नेनो इलेक्ट्रॉनिक्स की संभावनाओं का विस्तार ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

इस कार्य को राष्ट्रीय विज्ञान परिषद्, ताईवान द्वारा अनुबंध सं. के अंतर्गत समर्थित किया गया. सर्वाधिक 105-2112-M-003-016-MY3 । यह काम राष्ट्रीय ताइवान विश्वविद्यालय के इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में राष्ट्रीय नैनो डिवाइस प्रयोगशालाओं और ई-बीम प्रयोगशाला द्वारा समर्थित हिस्से में भी किया गया ।

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

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