Een standaard en betrouwbare methode om te fabriceren tweedimensionale nano-elektronica

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

Het artikel beoogt de invoering van een standaard en betrouwbare fabricage-procedure voor de ontwikkeling van toekomstige lage dimensionale nano-elektronica.

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

Tweedimensionale (2D) materialen hebben enorme aandacht vanwege hun unieke eigenschappen en toepassingsmogelijkheden. Aangezien wafer schaal synthese van 2D materiaal nog in wording stadia is, vertrouwen wetenschappers niet volledig op traditionele halfgeleider technieken voor verwant onderzoek. Gevoelige processen van het lokaliseren van het materiaal dat de definitie van de elektrode moeten goed worden gecontroleerd. In dit artikel vereist een universele fabricage-protocol in het vervaardigen van nanoschaal elektronica, zoals 2D quasi-heterojunctie bipolaire transistoren (Q-HBT) en 2D rug-gated transistoren zijn aangetoond. Dit protocol omvat de bepaling van materiële positie, electron beam lithografie (EBL), metaalelektrode definitie, et al.. Een stap voor stap-verhaal van de fabricage-procedures voor deze apparaten worden ook gepresenteerd. Bovendien blijkt dat elk van de gefabriceerde apparaten hoge prestaties met hoge herhaalbaarheid heeft bereikt. Dit werk toont een uitgebreide beschrijving van het verloop van het proces voor het voorbereiden van 2D nano-elektronica, laat de onderzoeksgroepen om toegang tot deze informatie, en de weg naar toekomstige elektronica.

Introduction

Sinds afgelopen decennia, heeft mensheid ondervonden snelle downscale in de grootte van de transistors en, bijgevolg, een exponentiële toename van het aantal transistoren in geïntegreerde circuits (ICs). Hierdoor blijft de voortdurende vooruitgang van silicium gebaseerde aanvullende metal-oxide semiconductor (CMOS) technologie1. Bovendien zijn deze huidige trend in de grootte en de prestaties van gefabriceerde apparaten nog steeds op schema met de wet van Moore, waarin staat dat het aantal transistors op elektronische chips, evenals hun prestaties, ongeveer elke twee jaar2 verdubbelt. CMOS transistoren zijn aanwezig in de meeste, zo niet alle, van de elektronische apparaten beschikbaar in de markt en waardoor het een integraal onderdeel van mensenlevens. Wegens dit zijn er continu eisen voor verbeteringen in de chip grootte en prestaties die de fabrikanten te houden na de Moores wet nummer hebben geduwd.

Helaas lijkt de wet van Moore te worden nadert zijn einde vanwege de hoeveelheid warmte zoals meer silicium circuits is geperst in een klein gebied2. Dit vraagt om nieuwe soorten materialen die hetzelfde bieden kunnen, zo niet beter, prestaties als silicium en, tegelijkertijd, in een relatief kleinere schaal kan worden geïmplementeerd. Onlangs zijn nieuwe veelbelovende materialen onderwerpen van vele materiaalkunde onderzoek geweest. Dergelijke materialen zoals eendimensionale (1D) koolstof nanotubes3,4,5,6,7, 2D grafeen8,9,10, 11 , 12en overgangsmetalen dichalcogenides (TMDs)13,14,15,16,17,18, zijn goede kandidaten die kunnen worden gebruikt als vervanging van de silicium gebaseerde CMOS en blijven de Moores wet nummer.

Fabricage van kleinschalige apparaten vereist zorgvuldige bepaling van de locatie van het materiaal succesvol overgaan tot de andere technieken van de fabricage zoals lithografie en metaalelektrode definitie. Dus, de methode die in dit document gepresenteerd werd ontworpen om deze behoefte. Vergeleken met de traditionele halfgeleider productie technieken19, is de in dit document gekozen benadering kleermaker-gemonteerd aan de ontwikkeling van kleinschalige apparaten die moet meer aandacht worden besteed in termen van het vinden van de locatie van het materiaal. Het doel van deze methode is om betrouwbaar fabriceren 2D nanomateriaal apparaten, zoals 2D rug-gated transistors en Q-HBTs, met behulp van standaard fabricage processen. Dit kan dienen als een platform voor toekomstige nanodevice ontwikkelingen zoals het effent de weg naar de productie van toekomstige geavanceerde nanoschaal-apparaten.

In het gedeelte van de procedure, worden de fabricage processen voor 2D materialen gebaseerde apparaten namelijk, de Q-HBT en 2D rug-gated transistor in detail besproken. Electron beam patronen in combinatie met materiële locatie bepaling en metaalelektrode definitie bestaat uit het protocol, aangezien ze in beide genoemde processen zijn verplicht. Deel 1 behandelt de stapsgewijze Productie-procédé van Q-HBTs20; en deel 2 toont een universele aanpak om te verkrijgen chemical vapor deposition (CVD) molybdeen disulfide (Mnd2) rug-gated transistoren van overdracht tot aan lift-off21, die volledig is aangetoond in het artikel. Het verloop van het gedetailleerde proces wordt geïllustreerd in (Figuur 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 2D Quasi-heterojunctie Transistors Productie-procédé

  1. Commerciële c-vliegtuig sapphire voor te bereiden.
    1. Wassen de hele één-kant geslepen saffier (2-inch) met aceton.
    2. Spoel de saffier substraat met isopropyl alcohol.
  2. Groeien Mnd2 op saffier substraat met behulp van CVD in een oven van hot-muur.
    1. Plaats 0.6 g molybdeen zwaveltrioxide (MoO3) poeder in een kwarts-boot ligt bij de verwarming zone midden van de oven. Zet de saffier substraat stroomafwaarts naast de boot van de kwarts met het MoO3 poeder.
    2. Zwavel (S) poeder in een aparte kwarts boot aan de stroomopwaartse zijde van de oven te bereiden. Handhaaf de temperatuur op 190 ° C tijdens de reactie.
    3. Gebruik van argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas doorstroming naar de S en MoO3 dampen op de saffier substraat te brengen terwijl de verwarming van de zone van het centrum tot 750 ° C.
    4. Houd de verwarmingszone, na het bereiken van de gewenste groei temperatuur van 750 ° C, gedurende 15 minuten en vervolgens natuurlijk koelen van de oven tot kamertemperatuur.
  3. EBL uitvoeren
    Opmerking: Een dunne Au van ongeveer 5 nm werd afgezet door de sputteren voor het nakomen van tijdens alle EBL processen op saffier substraat
    1. Identificeren, met behulp van een optische Microscoop, een gebied waar Mnd2 enkelgelaagde vlokken worden waargenomen, dan het ontwerp van de lay-out van het patroon streep voor dat specifieke gebied met behulp van een ontwerpsoftware (AutoCAD).
    2. Spin-jas fotoresist (PR), bijvoorbeeld van polymethylmethacrylaat (PMMA) of P015, op de top van het monster bij 2000 rpm voor 60 s (kamertemperatuur). Zorg ervoor dat de PR het gehele monster na spin coating heeft behandeld.
    3. Het verwarmen van het monster (zachte bak) bij 100 ° C gedurende 90 s om te verdampen de oplosmiddelen in de PR en de hechting te verbeteren.
    4. De indeling van de patroon in stap 1.3.1 omzetten in een specifiek bestand (voorbeeld: GDS-bestand), en in de software van de EBL te uploaden.
    5. De ideale dosis van elektronenbundel op basis van de breedte van de lijnen in de lay-out te bepalen.
      Opmerking: Voor de breedte van de uitvoerregel kleiner dan 1 µm, de ideale dosering van elektronenbundel is 110 µC/cm2; voor de breedte van de uitvoerregel van 1 tot en met 5 µm is de dosis 100 µC/cm2; en voor de breedte van de uitvoerregel breder dan 5 µm, de dosis is 80 µC/cm2.
    6. Start bloot aan elektronenbundel monster.
    7. Breng post-exposure bak (PEB) op het monster na de blootstelling ter vermindering van de effecten van de staande golf. Het verwarmen van het monster bij 120 ° C gedurende 90 s.
    8. Tetramethylammonium hydroxide (TMAH) 2.38% gebruiken als ontwikkelaar. Onderdompelen van het monster, tot TMAH voor 80 s. Wash uit de TMAH met 200 mL gedeïoniseerd water voor 10 s.
    9. Onderzoeken of het patroon is goed ontwikkeld door optische microscopie.
    10. Voeren van harde bak om zich te ontdoen van de extra water in PR. serie het monster bij 110 ° C gedurende 90 s.
  4. Definiëren van de structuren van de streep met behulp van 50 W zuurstof (O2) plasma etsen (1st etsen) voor 30 s 2 min te verwijderen PR met behulp van 50 mL aceton.
  5. Groeien wolfraam diselenide (WSe2) met behulp van CVD op de doellocatie, die in een gewenste groei van WSe2 laag tussen de reeds bestaande Mnd2 strepen op de saffier substraat resulteren zal.
    1. Plaats 0.6 g wolfraam zwaveltrioxide (WO3) poeder in een kwarts-boot ligt bij de verwarming zone midden van de oven. Zet de saffier substraat stroomafwaarts naast de boot van de kwarts met het WO3 poeder.
    2. Seleen (Se) poeder in een aparte kwarts boot aan de stroomopwaartse zijde van de oven te bereiden. Handhaaf de temperatuur bij 260 ° C tijdens de reactie.
    3. Gebruik Ar/H2 (Ar = 90 sccm, H2 = 6 sccm, 20 Torr) gas flow te brengen van de Se en WO3 dampen op de saffier ondergrond terwijl de verwarming van de zone van het centrum tot 925 ° C.
    4. Houd de verwarmingszone, na het bereiken van de gewenste groei temperatuur van 925 ° C, gedurende 15 minuten en vervolgens natuurlijk koelen van de oven tot kamertemperatuur.
  6. Het fabriceren van de metal pad arrays en uitlijning merken.
    1. Bedekken de patronen van de metal pad arrays en uitlijning de merken fotolithografie patronen techniek gebruiken.
    2. Storting 20 nm/60 nm Ti/Au Elektronenkanonnen verdamper gebruiken.
      Opmerking: Goud is gebruikt om te voorkomen dat de oxidatie van de metalen pads.
    3. Bereiden en dompelen van het monster tot 100 mL aceton te ontbinden PR en uitvoeren van de astronauten. Schudden en de aceton blazen terwijl de follow-up van het hele proces via optische microscopie totdat de metalen pads blijken.
  7. Een ander EBL proces om de overlay van een lint vorm patroon op de top van de Mnd2- WSe2 heterojunctie uitvoeren
    1. Meten van de coördinaat verplaatsing tussen de doellocaties in de Mnd2- WSe2 heterojunctie en de uitlijning markeert met behulp van optische microscopie en ontwerpen van de lint-vorm lay-out op basis van deze metingen met behulp van een software (AutoCAD).
    2. Spin-jas PR, bijvoorbeeld PMMA of P015, op de top van het monster bij 2000 rpm voor 60 s (kamertemperatuur). Zorg ervoor dat de PR het gehele monster na spin coating heeft behandeld.
    3. Het verwarmen van het monster (zachte bak) bij 100 ° C gedurende 90 s om te verdampen de oplosmiddelen in de PR en de hechting te verbeteren.
    4. De indeling van de patroon in stap 1.7.1 omzetten in een specifiek bestand (voorbeeld: GDS-bestand), en in de software van de EBL te uploaden.
    5. De ideale dosis van elektronenbundel op basis van de breedte van de lijnen in de lay-out te bepalen.
      Opmerking: Voor de breedte van de uitvoerregel kleiner dan 1 µm, de ideale dosering van elektronenbundel is 110 µC/cm2; voor de breedte van de uitvoerregel van 1 tot en met 5 µm is de dosis 100 µC/cm2; en voor de breedte van de uitvoerregel breder dan 5 µm, de dosis is 80 µC/cm2.
    6. De machine van de EBL instellen zodanig dat de positie van de merken uitlijning in het sapphire substraat overeenkomt met haar briefwisseling in de lay-out.
    7. Start bloot aan elektronenbundel monster.
    8. Breng PEB op het monster na blootstelling ter vermindering van de effecten van de staande golf. Het verwarmen van het monster bij 120 ° C gedurende 90 s.
    9. Gebruik TMAH 2.38% als de ontwikkelaar. Onderdompelen van het monster, tot TMAH voor 80 s. Wash uit de TMAH met 200 mL gedeïoniseerd water voor 10 s.
    10. Onderzoeken of het patroon is goed ontwikkeld door optische microscopie.
    11. Voeren van harde bak om zich te ontdoen van de extra water in PR. serie het monster bij 110 ° C gedurende 90 s.
  8. O2 plasma etsen (2nd etsen) gebruiken om te definiëren een lint-vormige laterale heterojunctie en verwijder PR met aceton.
  9. Uitvoeren van de EBL-proces om te bedekken het patroon van de Ti/Au metalen elektroden.
    1. Meten van de coördinaat verplaatsing tussen de doellocaties in de Mnd2- WSe2 heterojunctie en de uitlijning markeert met behulp van optische microscopie en ontwerpen van de metaalelektrode lay-out op basis van deze metingen met behulp van een software (AutoCAD).
    2. Spin-jas PR, bijvoorbeeld PMMA of P015, op de top van het monster bij 2000 rpm voor 60 s (kamertemperatuur). Zorg ervoor dat de PR het gehele monster na spin coating heeft behandeld.
    3. Het verwarmen van het monster (zachte bak) bij 100 ° C gedurende 90 s om te verdampen de oplosmiddelen in de PR en de hechting te verbeteren.
    4. De indeling van de patroon in stap 1.9.1 omzetten in een specifiek bestand (voorbeeld: GDS-bestand), en in de software van de EBL te uploaden.
    5. De ideale dosis van elektronenbundel op basis van de breedte van de metalen lijnen in de lay-out te bepalen.
      Opmerking: Voor metalen lijnbreedte smaller dan 1 µm, de ideale dosis van elektronenbundel is 110 µC/cm2; voor de breedte van de uitvoerregel van 1 tot en met 5 µm is de dosis 100 µC/cm2; en voor de breedte van de uitvoerregel breder dan 5 µm, de dosis is 80 µC/cm2.
    6. De machine van de EBL instellen zodanig dat de posities van de merken uitlijning in het sapphire substraat overeenkomt met haar briefwisseling in de lay-out.
    7. Start bloot aan elektronenbundel monster.
    8. Breng PEB op het monster na blootstelling ter vermindering van de effecten van de staande golf. Het verwarmen van het monster bij 120 ° C gedurende 90 s.
    9. Gebruik TMAH 2.38% als de ontwikkelaar. Onderdompelen van het monster, tot TMAH voor 80 s. Wash uit de TMAH met 200 mL gedeïoniseerd water voor 10 s.
    10. Onderzoeken of het patroon is goed ontwikkeld door optische microscopie.
    11. Voeren van harde bak om zich te ontdoen van de extra water in PR. serie het monster bij 110 ° C gedurende 90 s.
  10. Uitvoeren van Ti/Au metalen afzetting en astronauten
    1. Storten van Ti/Au metaal Elektronenkanonnen verdamper met de dikte van minder dan 100 nm, anders, het is moeilijk te verwijderen van de PR en de ongewenste metaal door astronauten.
    2. Bereiden en dompelen van het monster tot 100 mL aceton te ontbinden PR en uitvoeren van de astronauten. Schudden en de aceton blazen terwijl de follow-up van het hele proces via optische microscopie, totdat er alleen metalen lijnen en remblokken links.
  11. Het proces van EBL in stap 1.9 uitvoeren maar bedekken de Pd/Au-metaalelektrode patroon in plaats van Ti/Au.
  12. De metalen afzetting en lift-off proces in stap 1.10 uitvoeren maar storten Pd/Au in plaats van Ti/Au.

2. 2D Back-gated Transistors Productie-procédé

  1. Rug-gated Si/SiO2 substraten met uitlijning merken voor te bereiden.
    1. Zelfgemaakte of commerciële SiO2/Si substraat voor te bereiden.
    2. Fotolithografie of EBL patronen technieken gebruiken om te definiëren van de uitlijning is ingeschakeld.
    3. Reactive ion etching (RIE) uitvoeren op het substraat van SiO2/Si tot de totale diepte van het doelgebied 1000 nm bereikt en verwijder de PR door O2 plasma te onthullen van de gevormde uitlijning merken.
    4. De patronen van de metal pad arrays gebruikmakend van de fotolithografie techniek patronen bedekken.
    5. Storting 20 nm/60 nm Ti/Au Elektronenkanonnen verdamper gebruiken.
      Opmerking: Goud is gebruikt om het voorkomen van oxidatie van de metalen pads.
    6. Bereiden en dompelen van het monster tot 100 mL aceton te ontbinden PR en uitvoeren van de astronauten. Schudden en de aceton blazen terwijl de follow-up van het hele proces door optische microscopie totdat de metalen pads blijken.
  2. CVD van Mnd2 op saffier substraat in een hot-wall oven uitvoeren.
    1. Plaats 0.6 g MoO3 poeder in een kwarts-boot ligt bij de verwarming zone midden van de oven. Zet de saffier substraat stroomafwaarts naast de boot van de kwarts met het MoO3 poeder.
    2. S poeder in een aparte kwarts boot aan de stroomopwaartse zijde van de oven te bereiden. Handhaaf de temperatuur op 190 ° C tijdens de reactie.
    3. Gebruik van argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas doorstroming naar de S en MoO3 dampen op de saffier substraat te brengen terwijl de verwarming van de zone van het centrum tot 750 ° C.
    4. Houd de verwarmingszone, na het bereiken van de gewenste groei temperatuur van 750 ° C, gedurende 15 minuten en vervolgens natuurlijk koelen van de oven tot kamertemperatuur.
  3. Mnd2 van de saffier overbrengen aan de achterkant-gated SiO2/Si ondergrond.
    1. Spin vacht PMMA met de snelheid van de rotatie van 3500 rpm voor 30 s op de top van de film van de2 Mnd.
    2. Bak de Mnd2/sapphire monster bij 120 ° C gedurende 3 min ter versterking van de PMMA-coating.
    3. Dompel de Mnd2/Sapphire monster in 50 mL ammoniakale oplossing (14,5%) voor ongeveer 30 minuten tot 2 uur om te scheiden van de Mnd2 film van de saffier substraat.
    4. Halen van de film en over te brengen naar het SiO2/Si substraat.
    5. Bak de Mnd2/SiO2/Si monster teneinde de hechting tussen de Mnd2 en SiO2 lagen. Verwarm het monster bij 120 ° C gedurende ongeveer 30 minuten tot 1 h.
    6. Verwijder de PMM door wassen met 30 mL aceton voor ongeveer 30 minuten tot 2 uur.
    7. Spoel het monster met isopropyl alcohol en het gebruik van stikstof te blazen het droog.
  4. EBL uitvoeren
    Opmerking: Er is geen dunne Au gestort op SiO2/Si substraat EBL tijdens aangezien Si een of andere manier geleidende is.
    1. Meten van de coördinaat verplaatsing tussen de doellocaties en de uitlijning markeert met behulp van optische microscopie en, op basis van deze metingen, ontwerpt de indeling van de patroon van de metalen elektroden met behulp van een ontwerpsoftware.
      Opmerking: Metalen elektroden verbinden met de punten van de doelgroep in de Mnd2 steekproef de metalen pads in de SiO2/Si substraat.
    2. Spin-jas PR, bijvoorbeeld PMMA of P015, op de top van het monster bij 2000 rpm voor 60 s (kamertemperatuur). Zorg ervoor dat de PR het gehele monster heeft behandeld.
    3. Het verwarmen van het monster (zachte bak) bij 100 ° C gedurende 90 s om te verdampen de oplosmiddelen in de PR en de hechting te verbeteren.
    4. De indeling van de patroon in stap 2.4.1 omzetten in een specifiek bestand (voorbeeld: GDS-bestand), en in de software van de EBL te uploaden.
    5. De ideale dosis van elektronenbundel op basis van de breedte van de metalen lijnen in de lay-out te bepalen.
      Opmerking: Voor metalen lijnbreedte smaller dan 1 µm, de ideale dosis van elektronenbundel is 110 µC/cm2; voor de breedte van de uitvoerregel van 1 tot en met 5 µm is de dosis 100 µC/cm2; en voor de breedte van de uitvoerregel breder dan 5 µm, de dosis is 80 µC/cm2.
    6. De machine van de EBL instellen zodanig dat de positie van de merken uitlijning in het Si/SiO2 substraat overeenkomt met haar briefwisseling in de lay-out.
    7. Start bloot aan elektronenbundel monster.
    8. Breng PEB op het monster na de blootstelling ter vermindering van de effecten van de staande golf. Het verwarmen van het monster bij 120 ° C gedurende 90 s.
    9. Gebruik TMAH 2.38% als de ontwikkelaar. Onderdompelen van het monster, tot TMAH voor 80 s. Wash uit de TMAH met 200 mL gedeïoniseerd water voor 10 s.
    10. Onderzoeken of het patroon is goed ontwikkeld door optische microscopie.
    11. Voeren van harde bak om zich te ontdoen van de extra water in PR. serie het monster bij 110 ° C gedurende 90 s.
  5. Uitvoeren van Au metaal afzetting en astronauten
    1. Storten van Au metaal Elektronenkanonnen verdamper met de dikte van minder dan 100 nm, anders, het is moeilijk te verwijderen van de PR en de ongewenste metaal door astronauten.
    2. Bereiden en dompelen van het monster tot 100 mL aceton te ontbinden PR en uitvoeren van de astronauten. Schudden en de aceton blazen terwijl de follow-up van het proces via de optische microscopie, totdat er alleen metalen lijnen en remblokken verliet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Het apparaat fabricage processen zijn toegepast op een aantal van de bijbehorende auteur onderzoekt met betrekking tot de ontwikkeling van 2D materiaal apparaten. In dit deel, worden de resultaten van een aantal van deze onderzoeken voorgesteld om aan te tonen de effectiviteit van het protocol zoals hierboven besproken. Een enkelgelaagde laterale WSe2-Mnd2 Q-HBT20 is geselecteerd als het eerste voorbeeld. Met behulp van de standaard apparaat fabricage processen gedetailleerd beschreven in het protocol, de enkelgelaagde lateraal WSe2-Mnd2 heterojunctions waren gegroeid (Figuur 2a) en vervolgens door de vorming van de Q-HBT overgegaan. Metalen contacten werden gestort op de top van de laterale heterojunctie te voltooien de Q-HBT. TI/Au werden gestort op de top van de Mnd2 laag (Figuur 2 c), gevolgd door de afzetting van Pd/Au bovenop de WSe2 laag (figuur 2d). Verschillende laterale Q-HBT werden ontwikkeld, zoals degene met een n-p-n-p laterale heterojunctie geïllustreerd in (figuur 2d, 2e). De functie van het Q-HBT apparaat werd gecontroleerd door te kijken naar de karakteristieke lijnen zoals de uitvoer (ikC-VCE) curve op common-emitter configuratie (figuur 2f). Figuur 2f toont aan dat de laterale n-p-n-Q-HBT onder twee bedrijfsmodi - modus van de verzadiging en de actieve modus - waaruit blijkt werkt dat de Q-HBT dat is gebouwd met behulp van het fabricageproces, inderdaad, functioneert als een transistor.

Het proces werd ook gebruikt om te bouwen van 2D rug-gated apparaten voor Mnd2 piezotronic stam/kracht sensor21 toepassing. Kwalitatief hoogwaardige driehoekige enkelgelaagde Mnd2 films werden voor het eerst gesynthetiseerd met behulp van CVD in een sapphire substraat en vervolgens verplaatst naar een Si/SiO2 substraat. De rest van het proces van het maken van de film van de2 Mnd in een piezotronic-apparaat wordt besproken in de sectie protocol. Figuur 3a bevat een atomaire kracht microscopie (AFM) afbeelding van een voltooide apparaat dat bestaat uit een driehoekige Mnd2 enkelgelaagde en verschillende sets van bron/afvoer (S-D) Au elektroden. Studeren de piëzo-elektrische polarisatie richting, werden meerdere contact elektroden rond de shape Driehoek opzettelijk ontworpen. Figuur 3b presenteert de schematisch diagram van de piezotronic sensor apparaat en de setup die tonen hoe een mechanische belasting door een tip van de AFM om te testen het piëzo-elektrisch effect wordt toegepast. In Figuur 3 c blijkt dat de sensor het USB-apparaat stroom die via een van de S-D elektrode paren voor elke verhoging in de toegepaste kracht en vice versa afneemt, die is een verwachte gedrag voor een piëzo-sensor. De gegevens in figuur 3d impliceert bovendien dat de ontwikkelde sensor stabiel, is aangezien een herhalende toepassing van toegepaste kracht/stam nauwelijks veranderd de uitgangsstroom of reactie.

Figure 1
Figuur 1. Schematische processtroom van 2D elektronische apparaten. De blauwe pijlen vertegenwoordigen de fabricage processtroom van Q-HBT en brown voor 2D rug-gated transistor. Inzet: (a) het 2D materiaal op saffier substraat bekleed met PMMA; (b) een monster verhit terwijl gedrenkt in ammoniakoplossing; (c) schematisch diagram van een 2D materiaal na metalen afzetting en lift-off proces. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2. Tweedimensionale laterale Q-HBT. (a). fase afbeelding van AFM. De fase-afbeelding toont duidelijk contrast tussen WSe2 en Mnd2. (b). de optische opname van een lint van de laterale heterostructure waar n-type materiaal Mnd2 en p-type materiaal is is WSe2. (c). de optische opname van de metalen Ti/Au gestort op de top van Mnd2 in het lint van de laterale heterostructure. Merk op dat dit beeld dezelfde schaal als in (d heeft). (d). de optische opname van de laterale Q-HBT, tonen een n−p−n−p laterale heterojunctie. Zwart gestreepte vak geeft de positie van de laterale heterostructure lint. (e). schematische plot van een 2D Q-HBT. De gele linten zijn Mnd2 monolayers en het rode lint is WSe2 enkelgelaagde. TI/Au metalen lagen zijn ontworpen om te storten op Mnd2 terwijl Pd/Au contacten met WSe2. (f). de uitvoer kenmerken van de laterale n−p−n Q-HBT op verschillende VBE waarden. Overgenomen met toestemming van Blaschke, B. M., et al.. 10. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3. De2 Mnd enkelgelaagde-apparaat. (a). AFM afbeelding van de Mnd2 enkelgelaagde-apparaat. (b). Schematische illustratie van een Mnd2 -apparaat toont hoe een mechanische belasting door een tip van de AFM om te testen het piëzo-elektrisch effect wordt toegepast. (c). I-Vb kenmerken van de Mnd2 -apparaat op de verschillende toegepaste krachten onder druksterkte stam wanneer toepassing van krachten op locaties aangeduid in hogere inzet waardoor druksterkte stam zoals schematisch in lager inzetstukken. (d). huidige reactie van CVD enkelgelaagde Mnd2 apparaat op herhaalde druksterkte stammen bij een vaste bias spanning van 1 V. herdrukt met toestemming van Lan, Y. W., et al.. 8. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

In dit artikel worden de gedetailleerde procedures voor het fabriceren van nieuwe elektronica op basis van 2D materialen in nanometerschaal gedemonstreerd. Aangezien de monsterbereidingsprocedures voor elke toepassing verschillen met elkaar hebben, worden de overlappende processen werden behandeld als het protocol. Electron beam patronen in combinatie met materiële locatie bepaling en metaalelektrode definitie fungeert dus als het protocol hier. Tussen de twee soorten apparaten genoemd, het hele proces van 2D rug-gated transistoren basisgewicht van natte overdracht van één crystal Mnd2 films op SiO2/Si substraten en eindigt bij metalen lift-off werden gepresenteerd. De reden waarom is aandacht op 2D terug gated transistoren is de dringende noodzaak van verbeterde 2D materialen gebaseerde veld effect transistors (FETs). Daarom zal belangrijke punten aan haar productie-procédé gerelateerde benadrukt worden in de volgende paragrafen.

Er zijn enkele heikele punten bij elke stap van de experimenten. Ten eerste, de prioriteit van het materiële zoeken gevolgd door het verwijderen van PMMA is vereist om te voorkomen dat ongunstige adsorptie terwijl bloot de films2 Mnd in de lucht. De adsorptie is een van de oorzaken van de aantasting van de prestaties. Bijgevolg, bakken het monster, met een duur die wordt verondersteld te zijn meer dan 30 min, nadat de doorgifte noodzakelijk is. Anders, de film is makkelijk te worden gepeld uit wanneer ontbinding van PMMA met aceton als gevolg van de slechte bevestiging van de films en diëlektricum, wat in het verdwijnen van de vlokken op doel posities resulteert. De dosis van de elektronenbundel is een andere kritische factor voor patronen. Hoge electron beam dosering is niet geschikt voor patronen met smalle afstand tussen elektrodes te wijten aan de nabijheid effect. Aan de andere kant, kan het verlagen van de dosering leiden tot het onvermogen om het ideale patroon. Fine tuning van de parameters van de elektronenbundel moet dus worden uitgevoerd. Kortom, een dun metaal verdient voor gemakkelijker lanceerraket, en de ideale dikte is afhankelijk van de toepassing en de dikte van de foto weerstaan. Voor de 2D transistor in dit project, metalen dikte onder 100 nm is aanvaardbaar.

Een beperking van de methode is dat handmatige bediening vereist is, dus het is alleen geschikt voor onderzoeksdoeleinden. Zodra wafer schaal synthese technieken van deze materialen goed ontwikkelde worden, kan traditionele halfgeleidertechnologie deze aanpak overnemen. Een trade-off tussen het krijgen van een hogere resolutie en materiaal kwaliteit bestaat ook, bij de keuze tussen optische beeldvorming en de alternatieve methode met behulp van scannende elektronen microscoop (SEM) bij het bepalen van de materiële locatie. De in dit protocol gebruikte optische beeldvorming methode biedt micrometer schaal precisie voor het lokaliseren van posities, terwijl SEM preciezer is maar schade in het materiaal veroorzaken kon. Met behulp van optische beeldvorming zoals voorgesteld in het protocol is daarom het meest doelmatige veruit.

Sinds jaren van onderzoek op zoek naar de beste manier om het ontwikkelen van nieuwe materialen is onmisbaar, laboratorium toepassingsgebied productie met hands-on experimenten nog steeds een belangrijke positie inneemt. Zeker, deze methode kan dienen niet alleen voor 2D materialen, maar ook voor 1D en het onontdekte materiaal in de toekomst verbreden van de mogelijkheden van de nanoschaal elektronica.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door de nationale Raad voor Wetenschappen, Taiwan onder contract nr. DE MEESTE 105-2112-M-003-016-MY3. Dit werk werd ook gedeeltelijk ondersteund door de nationale Nano apparaat laboratoria en e-bundel laboratorium in elektrotechniek van de 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Usage Statistics