En Standard och pålitlig metod att fabricera tvådimensionell nanoelektronik

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

Artikeln syftar till att införa en standard och pålitlig fabrication förfarande för utveckling av framtida låg dimensionella nanoelektronik.

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

Tvådimensionell (2D) material har uppmärksammats enormt på grund av deras unika egenskaper och potentiella tillämpningar. Eftersom wafer skala syntesen av 2D material är fortfarande i begynnande stadier, lita forskare inte helt på traditionella halvledare tekniker för forskning. Känsliga processer från att hitta material till elektroden definition måste vara väl kontrollerad. I den här artikeln krävs ett universal fabrication protokoll i tillverkning nanoskala elektronik, såsom 2D quasi-halvledarkontakt bipolära transistorer (Q-HBT) och 2D back-gated transistorer demonstreras. Detta protokoll omfattar bestämning av materiella ställning, electron beam litografi (EBL), metall elektrod definition, et al. En steg för steg berättelse fabrication förfarandena för dessa enheter presenteras också. Resultaten visar dessutom att varje fabricerade enhet har uppnått hög prestanda med hög repeterbarhet. Detta arbete visar en omfattande beskrivning av processflödet för att förbereda 2D nano-elektronik, möjliggör forskargrupperna tillgång till denna information, och bana vägen mot framtidens elektronik.

Introduction

Sedan senaste årtiondena, har mänskligheten upplevt snabb nerför i storleksanpassa av transistorer och följaktligen en exponentiell ökning i antalet transistorer i integrerade kretsar (ICs). Detta upprätthåller de kontinuerliga framsteg kiselbaserade kompletterande-Complementary metal oxide semiconductor () teknik1. Denna nuvarande trend i storlek och fabricerade enheters prestanda är dessutom fortfarande på-spår med Moores lag, som säger att antalet transistorer på elektroniska chips, liksom deras prestanda, fördubblar ungefär varje två år2. CMOS transistorer är närvarande i de flesta, om inte alla, de elektroniska enheterna som finns på marknaden och därmed en integrerad del av människors liv. På grund av detta finns det kontinuerlig krav på förbättringar i chip storlek och prestanda som har drivit på tillverkarna att fortsätta följa den Moores lag spår.

Moores lag verkar tyvärr närmar sig sitt slut på grund av mängden värme som genereras som mer kisel kretsar pressas in i ett litet område2. Detta kräver nya typer av material som kan ge samma, om inte bättre, prestanda som kisel och, samtidigt, kan implementeras i en relativt mindre skala. Nyligen har nya lovande material varit betvingar av många materialvetenskap undersökningar. Sådana material som endimensionell (1D) kolnanorör3,4,5,6,7, 2D grafen8,9,10, 11 , 12och övergång metall dichalcogenides (TMDs)13,14,15,16,17,18, är bra kandidater som kan användas som ersätta kisel-baserade CMOS och fortsätta den Moores lag spår.

Tillverkning av småskaliga enheter kräver noggrann bestämning av materialets läge att framgångsrikt fortsätta till andra fabrication tekniker såsom litografi och metall elektrod definition. Så, den metod som presenteras i denna uppsats var avsedd att bemöta detta behov. Jämfört med den traditionella halvledare fabrication tekniker19, är det tillvägagångssätt som presenteras i denna uppsats skräddare-utrustade till utveckling av småskalig enheter som behöver mer uppmärksamhet när det gäller att hitta platsen för materialet. Syftet med denna metod är att tillförlitligt fabricera 2D nanomaterial enheter, till exempel 2D back-gated transistorer och Q-HBTs, använder standard fabrication processer. Detta kan tjäna som en plattform för framtida nanodevice utvecklingen som det banar väg mot produktion av framtida avancerade nano-skala enheter.

I avsnittet förfarande diskuteras fabrication processerna för 2D material-baserade enheter nämligen den Q-HBT och 2D back-gated transistorn i detalj. Electron beam mönster kombinerat med materiella positionsbestämning och metall elektrod definitionen omfattar protokollet eftersom de krävs i båda nämnda processerna. Del 1 beskriver den stegvisa tillverkningsprocessen av Q-HBTs20; och del 2 visar en universell metod för att erhålla chemical vapor deposition (CVD) molybdendisulfid (MoS2) back-gated transistorer från överföring till lyft21, som helt har visats i artikeln. Detaljerade processflödet illustreras i (figur 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 2D Quasi-halvledarkontakt transistorer tillverkningsprocessen

  1. Förbereda kommersiella c-planet sapphire.
    1. Tvätta hela singel-side polerad sapphire (2 tum) med aceton.
    2. Skölj safir underlaget med isopropylalkohol.
  2. Växa MoS2 på safir substrat med CVD i en hot-vägg-ugn.
    1. Plats 0,6 g molybden svaveltrioxid (MoO3) pulver i en kvarts båt ligger vid uppvärmning zon mitten av ugnen. Sätta på safir substratet nedströms bredvid kvarts båten med MoO3 pulver.
    2. Förbereda svavel (S) pulver i en separat kvarts båt på den överordnade sidan av ugnen. Upprätthålla sin temperatur på 190 ° C under reaktionen.
    3. Använda argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flöde att föra S och MoO3 ångorna till safir substratet medan värme center zonen till 750 ° C.
    4. Håll zonen värme, efter att nå önskad tillväxt temperatur på 750 ° C, för 15 min och sedan naturligt kyla ner ugnen till rumstemperatur.
  3. Utföra EBL.
    Obs: En tunn Au ca 5 nm deponerades genom sputtering för urladdning under alla EBL processer på safir substrat
    1. Identifiera, med ett optiskt mikroskop, ett område där MoS2 enskiktslager flingor observeras, sedan utforma layouten randigt mönster för det specifika området med en design mjukvara (AutoCAD).
    2. Spin-coat fotoresist (PR), till exempel polymetylmetakrylat (PMMA) eller P015, ovanpå provet vid 2000 rpm för 60 s (rumstemperatur). Säkerställa att PR har täckt hela provet efter spin beläggning.
    3. Värm provet (mjuk baka) vid 100 ° C för 90 s för att avdunsta lösningsmedel i PR och förbättra vidhäftningen.
    4. Konvertera layouten mönster i steg 1.3.1 i en särskild fil (exempel: GDS fil), och ladda upp den i programvaran EBL.
    5. Avgöra den perfekta dosen av elektronstråle som baseras på bredden av raderna i layouten.
      Obs: För linjebredd är smalare än 1 µm, den ideala dosen av electron beam är 110 µC cm2. för 1-5 µm linjebredd är dosen 100 µC cm2. och för linjebredd är bredare än 5 µm, är dosen 80 µC cm2.
    6. Börja utsätta provet med elektronstråle.
    7. Applicera efter exponering baka (spricka) på prov efter exponeringen för att minska de stående våg effekterna. Värm provet vid 120 ° C för 90 s.
    8. Använd tetramethylammonium hydroxid (TMAH) 2,38% som utvecklare. Fördjupa provet till TMAH för 80 s. tvätta ut TMAH med 200 mL avjoniserat vatten för 10 s.
    9. Undersöka om mönstret är väl utvecklad med hjälp av optisk mikroskopi.
    10. Utföra hårda bakar för att bli av med extra vatten i PR. värme provet vid 110 ° C i 90 s.
  4. Definiera de stripe strukturer med 50 W syre (O2) plasma etsning (1st etsning) för 30 s till 2 min och ta bort PR med 50 mL aceton.
  5. Växa volfram-diselenid (WSe2) med CVD på målplatsen, vilket resulterar i en rekommenderad tillväxt av WSe2 skikt mellan redan befintliga MoS2 ränder på safir substratet.
    1. Plats 0,6 g volfram svaveltrioxid (WO3) pulver i en kvarts båt ligger vid uppvärmning zon mitten av ugnen. Sätta på safir substratet nedströms bredvid kvarts båten med WO3 pulver.
    2. Förbereda selen (Se) pulver i en separat kvarts båt på den överordnade sidan av ugnen. Bibehålla temperaturen vid 260 ° C under reaktionen.
    3. Använda Ar/H2 (Ar = 90 sccm, H2 = 6 sccm, 20 Torr) gas flöde att få Se och WO3 ångorna till safir substratet medan värme center zonen till 925 ° C.
    4. Håll zonen värme, efter att nå önskad tillväxt temperatur 925 ° C under 15 min och sedan naturligt kyla ner ugnen till rumstemperatur.
  6. Fabricera den metall pad matriser och justering märken.
    1. Överlagra mönster av metall pad matriser och justering markeringarna med hjälp av photolithographyen mönstring teknik.
    2. Deposition 20 nm/60 nm Ti/Au använda elektronkanon förångaren.
      Obs: Guld används för att undvika oxidation av metall kuddar.
    3. Förbereda och dränka provet till 100 mL aceton att upplösa PR och utföra lyft. Skaka och blåsa aceton samtidigt övervaka hela processen via optisk mikroskopi tills metall kuddar blir uppenbara.
  7. Utföra en annan EBL process för att överlagra en menyfliksområdet form mönster ovanpå den MoS2- WSe2 halvledarkontakt.
    1. Mäta samordna förskjutningen mellan platserna som mål i den MoS2- WSe2 halvledarkontakt och justering markerar med hjälp av optisk mikroskopi och design menyfliksområdet-shape layout utifrån dessa mätningar med hjälp av en programvara (AutoCAD).
    2. Spin-coat PR, till exempel PMMA eller P015, ovanpå provet vid 2000 rpm för 60 s (rumstemperatur). Säkerställa att PR har täckt hela provet efter spin beläggning.
    3. Värm provet (mjuk baka) vid 100 ° C för 90 s för att avdunsta lösningsmedel i PR och förbättra vidhäftningen.
    4. Konvertera layouten mönster i steg 1.7.1 i en särskild fil (exempel: GDS fil), och ladda upp den i programvaran EBL.
    5. Avgöra den perfekta dosen av elektronstråle som baseras på bredden av raderna i layouten.
      Obs: För linjebredd är smalare än 1 µm, den ideala dosen av electron beam är 110 µC cm2. för 1-5 µm linjebredd är dosen 100 µC cm2. och för linjebredd är bredare än 5 µm, är dosen 80 µC cm2.
    6. Ange maskinens EBL så att markeringarna anpassning position i safir substratet matchar dess korrespondens i layouten.
    7. Börja utsätta provet med elektronstråle.
    8. Applicera spricka på prov efter exponering för att minska de stående våg effekterna. Värm provet vid 120 ° C för 90 s.
    9. Använd TMAH 2,38% som utvecklare. Fördjupa provet till TMAH för 80 s. tvätta ut TMAH med 200 mL avjoniserat vatten för 10 s.
    10. Undersöka om mönstret är väl utvecklad med hjälp av optisk mikroskopi.
    11. Utföra hårda bakar för att bli av med extra vatten i PR. värme provet vid 110 ° C i 90 s.
  8. O2 plasma etsning (2nd etsning) för att definiera ett band-formade laterala halvledarkontakt och ta PR av aceton.
  9. Utföra EBL processen för att överlagra mönstret av Ti/Au metallelektroderna.
    1. Mäta samordna förskjutningen mellan platserna som mål i den MoS2- WSe2 halvledarkontakt och justering markerar med hjälp av optisk mikroskopi och designa layouten metall elektrod utifrån dessa mätningar med hjälp av en programvara (AutoCAD).
    2. Spin-coat PR, till exempel PMMA eller P015, ovanpå provet vid 2000 rpm för 60 s (rumstemperatur). Säkerställa att PR har täckt hela provet efter spin beläggning.
    3. Värm provet (mjuk baka) vid 100 ° C för 90 s för att avdunsta lösningsmedel i PR och förbättra vidhäftningen.
    4. Konvertera layouten mönster i steg 1.9.1 till en specifik fil (exempel: GDS fil), och ladda upp den i programvaran EBL.
    5. Avgöra den perfekta dosen av elektronstråle som baseras på bredden av metall raderna i layouten.
      Obs: För metall linjebredd smalare än 1 µm, den ideala dosen av electron beam är 110 µC cm2. för 1-5 µm linjebredd är dosen 100 µC cm2. och för linjebredd är bredare än 5 µm, är dosen 80 µC cm2.
    6. Ange maskinens EBL så att markeringarna justering positioner i safir substratet matchar dess korrespondens i layouten.
    7. Börja utsätta provet med elektronstråle.
    8. Applicera spricka på prov efter exponering för att minska de stående våg effekterna. Värm provet vid 120 ° C för 90 s.
    9. Använd TMAH 2,38% som utvecklare. Fördjupa provet till TMAH för 80 s. tvätta ut TMAH med 200 mL avjoniserat vatten för 10 s.
    10. Undersöka om mönstret är väl utvecklad med hjälp av optisk mikroskopi.
    11. Utföra hårda bakar för att bli av med extra vatten i PR. värme provet vid 110 ° C i 90 s.
  10. Utföra Ti/Au metall nedfall och lyft
    1. Sätta in Ti/Au metall med elektronkanon förångare med tjocklek mindre än 100 nm, annars blir det svårt att ta bort PR och oönskade metallen av lyft.
    2. Förbereda och dränka provet till 100 mL aceton att upplösa PR och utföra lyft. Skaka och blåsa aceton samtidigt övervaka hela processen via optisk mikroskopi tills det finns endast metall linjer och kuddar kvar.
  11. Utföra EBL processen i steg 1,9 men overlay Pd/Au metall elektrodens mönster i stället för Ti/Au.
  12. Utföra metall nedfall och lyft processen i steg 1.10 men insättning Pd/Au istället för Ti/Au.

2. 2D Back-gated transistorer tillverkningsprocessen

  1. Förbereda tillbaka-gated Si/SiO2 substrat med justering markerar.
    1. Förbereda hemlagad eller kommersiell SiO2/Si substrat.
    2. Använda photolithography eller EBL mallning tekniker för att definiera justeringsmärket.
    3. Utföra reactive ion etsning (RIE) på SiO2/Si substraten tills det totala djupet av målområdet når 1000 nm och ta bort PR av O2 plasma att avslöja de bildade justering varumärkena.
    4. Överlagra mönster metall pad-matriser använder photolithography mönstring teknik.
    5. Deposition 20 nm/60 nm Ti/Au använda elektronkanon förångaren.
      Obs: Guld används för att undvika oxidation av metall kuddar.
    6. Förbereda och dränka provet till 100 mL aceton att upplösa PR och utföra lyft. Skaka och blåsa aceton samtidigt övervaka hela processen med hjälp av optisk mikroskopi tills metall kuddar blir uppenbara.
  2. Utföra CVD av MoS2 på safir substrat i en ugn, hot-vägg.
    1. Plats 0,6 g MoO3 pulver i en kvarts båt ligger vid uppvärmning zon mitten av ugnen. Sätta på safir substratet nedströms bredvid kvarts båten med MoO3 pulver.
    2. Förbereda S pulver i en separat kvarts båt på den överordnade sidan av ugnen. Upprätthålla sin temperatur på 190 ° C under reaktionen.
    3. Använda argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flöde att föra S och MoO3 ångorna till safir substratet medan värme center zonen till 750 ° C.
    4. Håll zonen värme, efter att nå önskad tillväxt temperatur på 750 ° C, för 15 min och sedan naturligt kyla ner ugnen till rumstemperatur.
  3. Överföra MoS2 från sapphire på baksidan-gated SiO2/Si substratet.
    1. Spin rock PMMA med spin hastigheten på 3500 rpm för 30 s ovanpå MoS2 filmen.
    2. Baka den MoS2/sapphire prov vid 120 ° C för 3 min för att stärka PMMA beläggning.
    3. Doppa den MoS2/Sapphire prov i 50 mL ammoniaklösning (14,5%) i cirka 30 min-2 h att separera MoS2 filmen från safir underlaget.
    4. Plocka upp filmen och överföra det till SiO2/Si substratet.
    5. Grädda MoS2/SiO2/Si provet för att förbättra vidhäftningen mellan MoS2 och SiO2 lager. Värm provet vid 120 ° C i ca 30 min till 1 h.
    6. Ta bort PMMA genom tvättning med 30 mL aceton för runt 30 min-2 h.
    7. Skölj provet med isopropylalkohol och använder kväve för att blåsa torr.
  4. Utföra EBL.
    Obs: Det finns ingen tunn Au deponeras på SiO2/Si substrat under EBL process eftersom Si är något ledande.
    1. Mäta samordna förskjutningen mellan platserna som mål och justering markerar med hjälp av optisk mikroskopi och utifrån dessa mätningar, design mönster layout av metall elektroderna med en design mjukvara.
      Obs: Metallelektroderna ansluta målpunkter i MoS2 provet till metall kuddar i SiO2/Si substratet.
    2. Spin-coat PR, till exempel PMMA eller P015, ovanpå provet vid 2000 rpm för 60 s (rumstemperatur). Säkerställa att PR har täckt hela provet.
    3. Värm provet (mjuk baka) vid 100 ° C för 90 s för att avdunsta lösningsmedel i PR och förbättra vidhäftningen.
    4. Konvertera layouten mönster i steg 2.4.1 i en särskild fil (exempel: GDS fil), och ladda upp den i programvaran EBL.
    5. Avgöra den perfekta dosen av elektronstråle som baseras på bredden av metall raderna i layouten.
      Obs: För metall linjebredd smalare än 1 µm, den ideala dosen av electron beam är 110 µC cm2. för 1-5 µm linjebredd är dosen 100 µC cm2. och för linjebredd är bredare än 5 µm, är dosen 80 µC cm2.
    6. Ange maskinens EBL så att markeringarna anpassning position i Si/SiO2 substratet matchar dess korrespondens i layouten.
    7. Börja utsätta provet med elektronstråle.
    8. Applicera spricka på prov efter exponeringen för att minska de stående våg effekterna. Värm provet vid 120 ° C för 90 s.
    9. Använd TMAH 2,38% som utvecklare. Fördjupa provet till TMAH för 80 s. tvätta ut TMAH med 200 mL avjoniserat vatten för 10 s.
    10. Undersöka om mönstret är väl utvecklad med hjälp av optisk mikroskopi.
    11. Utföra hårda bakar för att bli av med extra vatten i PR. värme provet vid 110 ° C i 90 s.
  5. Utföra Au metall nedfall och lyft
    1. Deponera Au metall med elektronkanon förångare med tjocklek mindre än 100 nm, annars blir det svårt att ta bort PR och oönskade metallen av lyft.
    2. Förbereda och dränka provet till 100 mL aceton att upplösa PR och utföra lyft. Skaka och blåsa aceton samtidigt övervaka processen via optisk mikroskopi tills det finns endast metall linjer och kuddar kvar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Flera av motsvarande författarens forskningar som inbegriper utveckling av 2D material enheter har tillämpat enhet fabrication processerna. I denna del presenteras resultaten av några av dessa undersökningar för att påvisa effektivitet, det protokoll som diskuterats ovan. En enskiktslager av laterala WSe2-MoS2 Q-HBT20 väljs som det första exemplet. Enskiktslager hjälp av standardinformation om enheten fabrication processer beskrivs i protokollet, och laterala WSe2-MoS2 heterojunctions odlades (figur 2a) och fortsatte sedan genom bildandet av den Q-HBT. Metallkontakterna förvarades ovanpå den laterala halvledarkontakt att slutföra de Q-HBT. TI/Au förvarades ovanpå det MoS2 lager (figur 2 c), följt av nedfall av Pd/Au ovanpå det WSe2 lagret (figur 2d). Flera laterala Q-HBT framkallades, såsom det med en n-p-n-p laterala halvledarkontakt illustreras i (figur 2d, 2e). Funktionen av Q-HBT enheten kontrollerades genom att undersöka dess karakteristikkurvor såsom dess utgång (c-VCE) kurvan vid common-sändare konfiguration (figur 2f). Figur 2f visar att den laterala n-p-n Q-HBT fungerar under två driftlägen - mättnad funktionsläget och aktivt läge - vilket bevisar att den Q-HBT som byggdes med hjälp av tillverkningsprocessen, faktiskt fungerar som en transistor.

Processen användes också till att bygga 2D back-gated enheter för MoS2 piezotronic stam/kraft sensor21 program. Hög kvalitet triangulära enskiktslager MoS2 filmer var först syntetiseras med CVD i safir substrat och sedan övergår i ett Si/SiO2 substrat. Resten av processen att göra MoS2 filmen till en piezotronic enhet diskuteras i avsnittet protokoll. Figur 3a visar en atomic force microscopy (AFM) bild av en färdig enhet bestående av en triangulär MoS2 enskiktslager och flera uppsättningar av källa/avlopp (S-D) Au elektroder. För att studera den piezoelektriska polarisering riktningen, utformades avsiktligt flera kontakt elektroder runt triangel-formen. Figur 3b visar en schematisk bild av piezotronic sensor enheten och installationen visar hur en mekanisk belastning appliceras genom en AFM tips att testa dess piezoelektrisk effekt. Resultaten i figur 3 c visar att sensorn enhetens ström som flyter genom en av dess S-D elektrod par minskar för varje ökning i tillämpad kraft och vice versa, vilket är ett förväntat beteende för en piezo-sensor. Data i figur 3d innebär dessutom att den nyutvecklade sensorn är stabil eftersom en upprepande tillämpning av tillämpad kraft/stam knappt ändrat dess utström svar.

Figure 1
Figur 1. Schematiska processflödet för 2D elektroniska apparater. De blå pilarna representerar fabrication processflödet Q-HBT och bruna för 2D back-gated transistor. Infällt: (a) 2D materialet på safir substrat belagd med PMMA; (b) ett prov uppvärmd medan indränkt i ammoniak; (c) Schematisk bild av ett 2D material efter metall nedfall och lyft processen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2. Tvådimensionell laterala Q-HBT. (a). fas bilden av AFM. Fas bilden visar tydlig kontrast mellan WSe2 och MoS2. (b). den optiska Mikrograf en lateral heterostrukturfotoniska band där n-typ material är MoS2 och p-typ material är WSe2. (c). den optiska Mikrograf metall Ti/au deponerade ovanpå MoS2 i laterala heterostrukturfotoniska menyfliksområdet. Observera att denna bild har samma skala som i (d). (d). den optiska Mikrograf av den laterala Q-HBT, visar en n−p−n−p laterala halvledarkontakt. Svart streckad ruta markerar position i laterala heterostrukturfotoniska menyfliksområdet. (e). Schematisk tomt en 2D Q-HBT. De gula band är MoS2 enskiktslager och röda menyfliksområdet är WSe2 enskiktslager. TI/Au metall lager är utformade för att deponera på MoS2 medan Pd/Au kontakter med WSe2. (f). utgång egenskaper den laterala n−p−n Q-HBT vid olika VBE värden. Omtryckt med tillåtelse från Blaschke, B. M., et al. 10. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3. MoS2 enskiktslager enheten. (a). AFM bilden av MoS2 enskiktslager enheten. (b). Schematisk illustration av en MoS2 -enhet som visar hur en mekanisk belastning appliceras genom en AFM tips att testa dess piezoelektrisk effekt. (c). - Vb kännetecken för MoS2 enheten på olika tillämpad styrkor tryckkraft ansträngd när tillämpa styrkor på platser betecknas i övre infällda resulterar i tryckhållfasthet stam som visas schematiskt i lägre inläggningar. (d). nuvarande svar av CVD enskiktslager MoS2 enheten vid upprepade tryckkraft stammar på en fast bias spänning 1 V. Reprinted med tillstånd från Lan, Y. W., et al. 8. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denna artikel demonstreras de detaljerade förfarandena för att fabricera roman elektronik baserat på 2D material i nanometerskalan. Eftersom prov förberedelse förfarandena i varje ansökan har skillnader med varandra, behandlades de överlappade processerna som protokoll. Electron beam mönster kombinerat med materiella positionsbestämning och metall elektrod definition fungerar således som protokollet här. Bland de två typerna av enheter som nämns, presenterades hela processen med 2D back-gated transistorer börjar vid våta överföra enda kristall MoS2 filmer på SiO2/Si substrat och slutar vid metall lyft. Anledningen till varför fokus ges på 2D tillbaka gated transistorer är det brådskande behovet av förbättrad 2D material-baserade field-effecttransistorer (fETsna). Viktiga punkter relaterade till dess tillverkningsprocessen kommer därför betonas i följande punkter.

Det finns några knepiga punkter i varje steg av experimenten. För det första krävs företräde material att lokalisera följt av borttagning av PMMA undvika ogynnsamma adsorption samtidigt exponera MoS2 filmerna till luft. Adsorption är en av orsakerna till prestandaförsämring. Följaktligen, bakning provet, med en löptid som är tänkt för att vara längre än 30 min, efter överföringen är nödvändig. Annars, filmen är lätt att vara skalade bort när upplösning PMMA med aceton på grund av dålig fastsättning av filmerna och dielektrisk, vilket resulterar i försvinnandet av flingor på target positioner. Dosen av elektronen strålar är en annan kritisk faktor för mallning. Hög electron beam dosering är inte lämplig för mönster med smala avståndet mellan elektroderna på grund av den proximity-effekten. Däremot, kan minskar dess dosering leda till oförmåga att uppnå det perfekta mönstret. Finjustering av parametrarna för elektronstråle behöver därför genomföras. I grund och botten en tunn metall är att föredra för enklare lyft, och dess perfekt tjocklek beror på tillämpningen och tjockleken på den foto-resist. För 2D transistorn i detta projekt, metall tjocklek under 100 nm är acceptabelt.

En begränsning med metoden är att det krävs manuell drift, så det är bara lämplig för forskningsändamål. När rånet skala syntes tekniker av dessa material blir välutvecklade, kan traditionella Halvledareteknologi ta över detta tillvägagångssätt. En avvägning mellan att få en högre upplösning och material kvalitet finns också, när du väljer mellan optisk imaging och den alternativa metoden med svepelektronmikroskop (SEM) vid fastställandet av de materiella läget. Den optiska imaging metod som används i detta protokoll ger mikrometer skala precision för att lokalisera positioner, medan SEM är mer precist men kunde framkalla skador i materialet. Därför är använder optisk imaging som föreslås i protokollet det mest ändamålsenligt överlägset.

Efter år av forskning som söker efter bäst sättet att utveckla nya material är oumbärlig, laboratorium omfattning tillverkning med praktiska experiment fortfarande intar en viktig ställning. Visst, denna metod kan fungera inte bara för 2D material men också för 1D och oupptäckta material i framtiden, bredda möjligheterna till nanoskala elektronik.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av National Science Council, Taiwan enligt avtal nr. DE FLESTA 105-2112-M-003-016-MY3. Detta arbete var också delvis stöds av nationella Nano enhet laboratorier och e-beam laboratorium i elektroteknik av 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