En Standard og pålitelig metode for å dikte todimensjonal tenkelig

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

Artikkelen tar sikte på å innføre en standard og pålitelig fabrikasjon prosedyre for utvikling av fremtidige lav dimensjonale tenkelig.

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

Todimensjonal (2D) materialer har fått stor oppmerksomhet med sitt unike egenskaper og potensielle. Siden wafer skala syntese av 2D materialer er fortsatt i begynnende fase, kan ikke forskere helt stole på tradisjonelle semiconductor teknikker for related forskning. Delikat prosesser fra å finne materialet elektrode definisjonen må kontrolleres også. I denne artikkelen kreves en universell fabrikasjon protokoll i produksjon nanoskala elektronikk, for eksempel 2D kvasi-heterojunction bipolare transistorer (Q-HBT) og 2D tilbake-gated transistorer er demonstrert. Denne protokollen inkluderer fastsettelse av materielle posisjon, elektron strålen litografi (EBL), metall elektrode definisjon, et al. En trinnvis fortelling av fabrikasjon prosedyrer for disse enhetene er også presentert. Videre resultatene viser at hver av fabrikkerte enhetene har oppnådd høy ytelse med høy repeterbarhet. Dette arbeidet avslører en omfattende beskrivelse av prosessflyten for å forberede 2D nano-elektronikk, gjør faggruppene tilgang til denne informasjonen og bane vei mot fremtidige elektronikk.

Introduction

Siden siste tiår, har menneskeheten hatt rask downscale i størrelsen på transistorer og følgelig en eksponentielle økning i antall transistorer i integrerte kretser. Dette beholder den kontinuerlig fremgangen silikonbaserte complementary metal oxide semiconductor (CMOS) teknologi1. Videre er denne gjeldende trenden i størrelse og ytelse av fabrikasjon enheter fortsatt på sporet med Moores lov, som sier at antall transistorer på elektronisk chips, samt deres resultater, dobles omtrent hvert to år2. CMOS transistorer finnes i de fleste, om ikke alle, av elektronisk anordninger anvendelig på markedet, og dermed gjør det en integrert del av menneskeliv. Grunnet dette er det kontinuerlig krav til forbedringer i chip størrelse og ytelse som har vært å skyve produsentene til å holde følge den Moores lov spor.

Dessverre synes Moores lov å være nærmer seg slutten på grunn av varmen som genereres som mer silisium krets er presset inn i et lite område2. Dette krever nye typer materialer som kan gi det samme, om ikke bedre, som silisium, og på samme tid, kan implementeres i en relativt mindre skala. Nylig har nye lovende materialer vært fagene mange materialvitenskap undersøkelser. Slike materialer som endimensjonal (1D) karbon nanorør3,4,5,6,7, 2D Grafén8,9,10, 11 , 12og transisjonsmetall dichalcogenides (TMDs)13,14,15,16,17,18, er gode kandidater som kan brukes som erstatte silikonbaserte CMOS og fortsette på Moores lov spor.

Fabrikasjon av småskala enheter krever forsiktig fastsettelse av materialets plasseringen vellykket fortsette til andre fabrikasjon teknikker som litografi og metall elektrode definisjon. Så ble metoden presentert i dette papiret designet for å møte dette behovet. Sammenlignet med tradisjonelle semiconductor fabrikasjon teknikker19, er tilnærmingen presentert i dette papiret skredder-montert til utvikling av små enheter som trenger mer oppmerksomhet når det gjelder å finne plasseringen av materialet. Målet med denne metoden er å dikte pålitelig 2D nanomaterial enheter, for eksempel 2D tilbake-gated transistorer og Q-HBTs, bruker standard metallbearbeiding prosesser. Dette kan fungere som en plattform for fremtidige nanodevice utviklingen som det baner vei mot produksjon av fremtidig avansert nano-skala enheter.

I delen fortsetter er metallbearbeiding prosesser for 2D materialer-baserte enheter nemlig Q-HBT og 2D tilbake-gated transistoren diskutert i detalj. Elektron strålen mønstre kombinert med materiale beliggenhet bestemmelse og metall elektrode definisjon består av protokollen siden de kreves i begge nevnte prosesser. Del 1 omhandler trinnvise fabrikasjon prosessen med Q-HBTs20; og del 2 viser en universell tilnærming for å få kjemiske damp avsetning (CVD) molybden disulfide (MoS2) tilbake-gated transistorer fra overføring til lift-off21, som har vist helt i artikkelen. Detaljert prosessflyten illustreres i (figur 1).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 2D kvasi-heterojunction transistorer fabrikasjon prosessen

  1. Forberede kommersielle c-plane sapphire.
    1. Vask den hele enkelt side polert safiren (2 tommer) med aceton.
    2. Skyll safir underlaget med isopropyl alkohol.
  2. Vokse MoS2 i safir underlaget ved hjelp av CVD i en hot-vegg ovn.
    1. Sted 0,6 g molybden trioxide (MoO3) pulver i en kvarts båt ligger ved oppvarming sonen midten av ovnen. Sette safir underlaget nedstrøms siden kvarts båten som inneholder MoO3 pulver.
    2. Forberede svovel (S) pulver i en separat kvarts båt på oppstrøms side av ovnen. Opprettholde temperaturen ved 190 ° C i løpet av reaksjonen.
    3. Bruke argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gass flyt å bringe S og MoO3 damp til safir underlaget mens oppvarming sonen center til 750 ° C.
    4. Holde oppvarming sonen, etter å ha nådd ønsket vekst temperaturen på 750 ° C, i 15 min og deretter naturlig avkjølt ovnen til romtemperatur.
  3. Utføre EBL.
    Merk: En tynn Au ca 5 nm ble avsatt av sputtering for lossing i alle EBL prosesser på safir substrat
    1. Identifisere, bruker en optisk mikroskop, et område hvor MoS2 monolayer flak er observert, deretter utforme stripe mønster det bestemte området ved hjelp av en programvare (AutoCAD).
    2. Spin-coat photoresist (PR), for eksempel polymetylmetakrylat methacrylate (PMMA) eller P015, på prøven på 2000 rpm for 60 s (romtemperatur). Sikre at PR har dekket hele utvalget etter spinn belegg.
    3. Varme prøven (myk Bake) ved 100 ° C i 90 s for å fordampe løsemidler i PR og forbedre vedheft.
    4. Konvertere oppsettet mønster i trinn 1.3.1 til en bestemt fil (eksempel: GDS fil), og laste den opp i EBL programvaren.
    5. Bestemme den ideelle dosen av elektron strålen basert på bredden på linjene i oppsettet.
      Merk: For linjetykkelse smalere enn 1 µm, den ideelle dosen av elektron strålen er 110 µC/cm2; for 1 til 5 µm linjetykkelse er dosen 100 µC/cm2; og for linjetykkelse bredere enn 5 µm, dosen er 80 µC/cm2.
    6. Starte utsette prøve å elektronstråle.
    7. Søke etter eksponering bake (PEB) på prøven etter eksponering for å redusere stående bølge effektene. Varme prøven ved 120 ° C i 90 s.
    8. Bruk tetramethylammonium hydroksid (TMAH) 2,38% som utvikler. Fordype prøve å TMAH 80 s. vaskes ut TMAH med 200 mL deionisert vann for 10 s.
    9. Undersøke om mønsteret er godt utviklet av optisk mikroskopi.
    10. Utføre hardt bake å kvitte seg med ekstra vann i PR. varme prøven på 110 ° C i 90 s.
  4. Definere stripe strukturer med 50 W oksygen (O2) plasma etsing (1st etsing) for 30 s 2 min og fjern PR bruker 50 mL av aceton.
  5. Vokse tungsten diselenide (WSe2) bruker CVD på målplasseringen, som vil resultere i en foretrukket vekst av WSe2 lag mellom eksisterende MoS2 stripene på safir underlaget.
    1. Sted 0,6 g tungsten trioxide (WO3) pulver i en kvarts båt ligger ved oppvarming sonen midten av ovnen. Sette safir underlaget nedstrøms siden kvarts båten som inneholder WO3 pulver.
    2. Forberede selen (Se) pulver i en separat kvarts båt på oppstrøms side av ovnen. Opprettholde temperaturen på 260 ° C i løpet av reaksjonen.
    3. Bruk Ar/T2 (Ar = 90 sccm, H2 = 6 sccm, 20 Torr) gass flyt å bringe Se og ve3 damp til safir underlaget mens oppvarming sonen center til 925 ° C.
    4. Holde oppvarming sonen, etter å ha nådd ønsket vekst temperaturen 925 ° c, i 15 min og deretter naturlig avkjølt ovnen til romtemperatur.
  6. Dikte metall pad matriser og justering merker.
    1. Overlappe mønstre av metall pad matriser og justering merkene med klima og jordsmonn mønstre teknikk.
    2. Depositum 20 nm/60 nm Ti/Au bruker electron pistol fordamperen.
      Merk: Gull brukes til å unngå oksidering av metall pads.
    3. Forberede og senke prøven til 100 mL aceton å oppløse PR og utføre lift-off. Shake og blåse aceton mens du overvåker hele prosessen via optisk mikroskopi til metall pads blir tydelig.
  7. Utføre en EBL prosess for å overlappe et bånd figur mønster over MoS2- WSe2 heterojunction.
    1. Måle koordinere forskyvning mellom målplasseringer i MoS2- WSe2 heterojunction og justeringen markerer bruker optisk mikroskopi og utforme bånd-figur basert på disse målingene benytter en programvare (AutoCAD).
    2. Spin-coat PR, for eksempel PMMA eller P015, på prøven på 2000 rpm for 60 s (romtemperatur). Sikre at PR har dekket hele utvalget etter spinn belegg.
    3. Varme prøven (myk Bake) ved 100 ° C i 90 s for å fordampe løsemidler i PR og forbedre vedheft.
    4. Konvertere oppsettet mønster i trinn 1.7.1 til en bestemt fil (eksempel: GDS fil), og laste den opp i EBL programvaren.
    5. Bestemme den ideelle dosen av elektron strålen basert på bredden på linjene i oppsettet.
      Merk: For linjetykkelse smalere enn 1 µm, den ideelle dosen av elektron strålen er 110 µC/cm2; for 1 til 5 µm linjetykkelse er dosen 100 µC/cm2; og for linjetykkelse bredere enn 5 µm, dosen er 80 µC/cm2.
    6. Definere EBL maskinen slik at plasseringen av justering merkene i safir underlaget samsvarer med sin korrespondanse i oppsettet.
    7. Starte utsette prøve å elektronstråle.
    8. Bruke PEB på prøven etter eksponering for å redusere stående bølge effektene. Varme prøven ved 120 ° C i 90 s.
    9. Bruk TMAH 2,38% som utvikleren. Fordype prøve å TMAH 80 s. vaskes ut TMAH med 200 mL vaskebuffer vann for 10 s.
    10. Undersøke om mønsteret er godt utviklet av optisk mikroskopi.
    11. Utføre hardt bake å kvitte seg med ekstra vann i PR. varme prøven på 110 ° C i 90 s.
  8. Bruk O2 plasma etsing (2nd etsing) til å definere en bånd-formet lateral heterojunction og fjerner PR ved aceton.
  9. Utføre EBL prosessen å overlappe mønster av Ti/Au metall elektrodene.
    1. Måle koordinere forskyvning mellom målplasseringer i MoS2- WSe2 heterojunction og justeringen markerer bruker optisk mikroskopi og utforme metall elektrode basert på disse målingene benytter en programvare (AutoCAD).
    2. Spin-coat PR, for eksempel PMMA eller P015, på prøven på 2000 rpm for 60 s (romtemperatur). Sikre at PR har dekket hele utvalget etter spinn belegg.
    3. Varme prøven (myk Bake) ved 100 ° C i 90 s for å fordampe løsemidler i PR og forbedre vedheft.
    4. Konvertere oppsettet mønster i trinn 1.9.1 til en bestemt fil (eksempel: GDS fil), og laste den opp i EBL programvaren.
    5. Bestemme den ideelle dosen av elektron strålen basert på bredden av metall linjene i oppsettet.
      Merk: For metall linjetykkelse smalere enn 1 µm, den ideelle dosen av elektron strålen er 110 µC/cm2; for 1 til 5 µm linjetykkelse er dosen 100 µC/cm2; og for linjetykkelse bredere enn 5 µm, dosen er 80 µC/cm2.
    6. Definere EBL maskinen slik at plasseringen av justering merkene i safir underlaget samsvarer med sin korrespondanse i oppsettet.
    7. Starte utsette prøve å elektronstråle.
    8. Bruke PEB på prøven etter eksponering for å redusere stående bølge effektene. Varme prøven ved 120 ° C i 90 s.
    9. Bruk TMAH 2,38% som utvikleren. Fordype prøve å TMAH 80 s. vaskes ut TMAH med 200 mL vaskebuffer vann for 10 s.
    10. Undersøke om mønsteret er godt utviklet av optisk mikroskopi.
    11. Utføre hardt bake å kvitte seg med ekstra vann i PR. varme prøven på 110 ° C i 90 s.
  10. Utføre Ti/Au metall avsettelse og Lift-off
    1. Innskudd Ti/Au metall electron pistol fordamperen med tykkelsen på mindre enn 100 nm, ellers vil det være vanskelig å fjerne PR og uønsket metall ved lift-off.
    2. Forberede og senke prøven til 100 mL aceton å oppløse PR og utføre lift-off. Shake og blåse aceton mens du overvåker hele prosessen via optisk mikroskopi til det er bare metal linjer og pads igjen.
  11. Utføre EBL prosessen i trinn 1,9 men overlegg Pd/Au metall elektrodens mønster i stedet for Ti/Au.
  12. Utføre metall avsettelse og lift-off prosessen i trinn 1,10 men innskudd Pd/Au i stedet for Ti/Au.

2. 2D tilbake-gated transistorer fabrikasjon prosessen

  1. Forberede tilbake-gated Si/SiO2 underlag med justering merker.
    1. Forberede hjemmelaget eller kommersielle SiO2/Si substrat.
    2. Bruk klima og jordsmonn eller EBL mønstre teknikker for å definere justering merket.
    3. Utføre reaktive ion etsing (RIE) på SiO2/Si underlaget før totaldybde på målområdet når 1000 nm og fjerne PR ved O2 plasma å avsløre dannet justering merkene.
    4. Overlappe mønstre av metall pad matriser bruker klima og jordsmonn mønstre teknikk.
    5. Depositum 20 nm/60 nm Ti/Au bruker electron pistol fordamperen.
      Merk: Gull brukes til å unngå oksidering av metall pads.
    6. Forberede og senke prøven til 100 mL aceton å oppløse PR og utføre lift-off. Shake og blåse aceton mens du overvåker hele prosessen med optisk mikroskopi til metall pads blir tydelig.
  2. Utføre CVD av MoS2 i safir underlaget i en hot-vegg ovn.
    1. Sted 0,6 g MoO3 pulver i en kvarts båt ligger ved oppvarming sonen midten av ovnen. Sette safir underlaget nedstrøms siden kvarts båten som inneholder MoO3 pulver.
    2. Forberede S pulver i en separat kvarts båt på oppstrøms side av ovnen. Opprettholde temperaturen ved 190 ° C i løpet av reaksjonen.
    3. Bruke argon (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gass flyt å bringe S og MoO3 damp til safir underlaget mens oppvarming sonen center til 750 ° C.
    4. Holde oppvarming sonen, etter å ha nådd ønsket vekst temperaturen på 750 ° C, i 15 min og deretter naturlig avkjølt ovnen til romtemperatur.
  3. Overføre MoS2 fra safirblå til tilbake-gated SiO2/Si underlaget.
    1. Spin frakk PMMA med spin hastigheten på 3500 rpm for 30 s over MoS2 filmen.
    2. Bake MoS2/sapphire eksempel på 120 ° C i 3 min for å styrke PMMA belegget.
    3. Dukkert MoS2/Sapphire prøven i 50 mL av ammoniakk løsning (14,5%) i ca 30 minutter til 2 timer å skille MoS2 filmen fra safir underlaget.
    4. Plukk opp filmen og overføre den til SiO2/Si underlaget.
    5. Stek MoS2/SiO2/Si prøven for å forbedre vedheft mellom MoS2 og SiO2 lag. Varme prøven ved 120 ° C i ca 30 minutter til 1 time.
    6. Fjern PMMA spylt med 30 mL av acetone i ca 30 minutter til 2 timer.
    7. Skyll prøven med isopropyl alkohol og bruk nitrogen for å blåse den tørr.
  4. Utføre EBL.
    Merk: Det er ingen tynn Au avsatt på SiO2/Si substrat under EBL prosessen siden Si er liksom ledende.
    1. Måle koordinere forskyvning mellom geografiske målområder og justeringen markerer bruker optisk mikroskopi og basert på disse målingene, utformingen mønster av metall elektrodene bruker en programvare.
      Merk: Metall elektroder koble mål poeng i MoS2 utvalget til metall pads i SiO2/Si underlaget.
    2. Spin-coat PR, for eksempel PMMA eller P015, på prøven på 2000 rpm for 60 s (romtemperatur). Sikre at PR har dekket hele utvalget.
    3. Varme prøven (myk Bake) ved 100 ° C i 90 s for å fordampe løsemidler i PR og forbedre vedheft.
    4. Konvertere oppsettet mønster i trinn 2.4.1 til en bestemt fil (eksempel: GDS fil), og laste den opp i EBL programvaren.
    5. Bestemme den ideelle dosen av elektron strålen basert på bredden av metall linjene i oppsettet.
      Merk: For metall linjetykkelse smalere enn 1 µm, den ideelle dosen av elektron strålen er 110 µC/cm2; for 1 til 5 µm linjetykkelse er dosen 100 µC/cm2; og for linjetykkelse bredere enn 5 µm, dosen er 80 µC/cm2.
    6. Definere EBL maskinen slik at plasseringen av justering merkene i Si/SiO2 underlaget samsvarer med sin korrespondanse i oppsettet.
    7. Starte utsette prøve å elektronstråle.
    8. Bruke PEB på prøven etter eksponering for å redusere stående bølge effektene. Varme prøven ved 120 ° C i 90 s.
    9. Bruk TMAH 2,38% som utvikleren. Fordype prøve å TMAH 80 s. vaskes ut TMAH med 200 mL deionisert vann for 10 s.
    10. Undersøke om mønsteret er godt utviklet av optisk mikroskopi.
    11. Utføre hardt bake å kvitte seg med ekstra vann i PR. varme prøven på 110 ° C i 90 s.
  5. Utføre Au Metal avsettelse og Lift-off
    1. Innskudd Au metall electron pistol fordamperen med tykkelsen på mindre enn 100 nm, ellers vil det være vanskelig å fjerne PR og uønsket metall ved lift-off.
    2. Forberede og senke prøven til 100 mL aceton å oppløse PR og utføre lift-off. Shake og blåse aceton mens overvåking prosess via optisk mikroskopi til det er bare metal linjer og pads igjen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Enheten metallbearbeiding prosesser er brukt på flere av tilsvarende forfatterens undersøkelser med utviklingen av 2D enheten. I denne delen, er resultatene av noen av disse undersøkelsene presentert for å demonstrere effektiviteten av protokollen omtalt ovenfor. En monolayer av lateral WSe2-MoS2 Q-HBT20 er valgt som det første eksemplet. Bruker standard enhet metallbearbeiding prosesser i protokollen, monolayer lateral WSe2-MoS2 heterojunctions ble dyrket (figur 2a) og deretter fortsatte med dannelsen av Q-HBT. Metallkontaktene ble avsatt på den laterale heterojunction å fullføre Q-HBT. Ti/Au ble avsatt på MoS2 laget (figur 2 c), etterfulgt av avsetning av Pd/Au oppå WSe2 laget (figur 2d). Flere lateral Q-HBT ble utviklet, som med en n-p-n-p lateral heterojunction illustrert i (figur 2d, 2e). Funksjon Q-HBT enheten ble bekreftet av ser i dets Egenskapskurver som produksjonen (jegC-VCE) kurven felles emitter konfigurasjon (figur 2f). Figur 2f viser at den laterale n-p-n Q-HBT fungerer under to driftsmodi - metning modus og aktiv modus - som beviser at Q-HBT som ble bygd med fabrikasjon prosessen faktisk fungerer som en transistor.

Prosessen ble også brukt til å bygge 2D tilbake-gated enheter for MoS2 piezotronic belastning/force sensor21 program. Høy kvalitet trekantet monolayer MoS2 filmer ble først syntetisert bruker CVD i en safir substrat og deretter overført til en Si/SiO2 substrat. Resten av prosessen med å lage MoS2 filmen inn i en piezotronic enhet er omtalt i delen protokollen. Figur 3a viser en atomic force mikroskopi (AFM) bilde av en ferdig enhet består av en trekantet MoS2 monolayer og flere sett med kilde/avløp (SD) Au elektroder. For å studere piezoelectric polariseringsretning, var flere kontakt elektroder rundt trekant-figuren bevisst utformet. Figur 3b presenterer skjematisk diagram piezotronic sensor enheten og oppsettet viser hvordan en mekanisk belastning påføres av en AFM tips å teste sin piezoelectric virkningen. Resultater i Figur 3 c viser at sensoren enhetens gjeldende strømmer gjennom en av de SD elektrode parene reduseres for hver økning i anvendt kraft og vice versa, som er en forventet virkemåte for en piezo-sensor. Videre innebærer dataene i figur 3d at utviklet sensoren er stabil siden en gjentatt søknad av anvendt force/belastning knapt forandret dens utgang gjeldende eller svar.

Figure 1
Figur 1. Skjematisk prosessflyten 2D elektroniske enheter. De blå pilene representerer fabrikasjon prosessen flyt av Q-HBT og brun til 2D tilbake-gated transistor. Innfelt: (a) 2D materialet på safir substrat belagt med PMMA; (b) et utvalg oppvarmet mens dynket i ammoniakk løsning; (c) skjematisk diagram av en 2D materiale etter metall avsettelse og lift-off prosessen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. Todimensjonal lateral Q-HBT. (a). fase bilde av AFM. Fase bildet viser tydelig kontrast mellom WSe2 og MoS2. (b). de optiske mikroskop-bilde av en lateral heterostructure bånd der n-type materiale er MoS2 og p-type materiale er WSe2. (c). de optiske mikroskop-bilde av metall Ti/Au avsatt på MoS2 i laterale heterostructure båndet. Merk at dette bildet har samme skala som i (d). (d). de optiske mikroskop-bilde av den laterale Q-HBT, viser en n−p−n−p lateral heterojunction. Svart stiplede boksen merker plasseringen av lateral heterostructure båndet. (e). skjematisk handlingen i et 2D Q-HBT. Gule bånd er MoS2 monolayers røde båndet er WSe2 monolayer. Ti/Au metall lag utformes innskudd MoS2 mens Pd/Au kontakter med WSe2. (f). utgangen egenskaper av lateral n−p−n Q-HBT på forskjellige Vvære verdier. Gjengitt med tillatelse fra Blaschke, B. M., et al. 10. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. MoS2 monolayer enheten. (a). AFM bilde av MoS2 monolayer enheten. (b). skjematisk illustrasjon av en MoS2 -enhet viser hvordan en mekanisk belastning påføres av en AFM tips å teste sin piezoelectric virkningen. (c). - Vb kjennetegner MoS2 enheten på ulike anvendt styrker under kompresjons belastning når søker styrker på steder vises i øvre innfelt resulterer i kompresjons belastning som vist skjematisk i lavere øker. (d). gjeldende svaret CVD monolayer MoS2 enhet på gjentatte kompresjons stammer med en fast bias spenning på 1 V. Reprinted med tillatelse fra Lan, Y. W., et al. 8. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

I denne artikkelen, er detaljerte prosedyrer å fabrikere romanen elektronikk basert på 2D materialer i nanometer skala vist. Siden prøve forberedelse prosedyrene for hvert program har forskjeller med hverandre, ble overlappende prosessene behandlet som protokoll. Elektron strålen mønstre kombinert med materiale beliggenhet bestemmelse og er metall elektrode definisjon protokollen her. Blant de to typene enheter nevnt, hele prosessen med 2D tilbake-gated transistorer starter på våt overføre én krystall MoS2 filmer på SiO2/Si underlag og slutter på metall lift-off ble presentert. Grunnen hvorfor fokus er gitt på 2D tilbake gated transistorer er det presserende behovet for bedre 2D materialer-baserte feltet effekt transistorer (fet). Derfor vil viktige punkter knyttet til sin fabrikasjon prosessen bli vektlagt i de følgende avsnittene.

Det er noen vanskelige poeng i hvert trinn av eksperimenter. Først er rekkefølgen av materielle finne etterfulgt av fjerning av PMMA nødvendig for å unngå ugunstig adsorpsjon mens utsette MoS2 filmer til luft. Opptak er en av årsakene til dårligere ytelse. Følgelig baking prøven, med en varighet som er ment for å være lengre enn 30 min, etter at overføringen er nødvendig. Ellers er filmen lett å bli skrellet av når oppløsende PMMA med aceton på grunn av dårlig feste filmer og dielektriske, som resulterer i forsvinningen av flak på plassering. Dosen av elektron strålen er en kritisk faktor for mønstre. Høy elektron strålen dosering er ikke egnet for mønstre med smale avstand mellom elektrodene på grunn av nærhet effekten. På den annen side, kan redusere sin dosering føre til manglende evne til å oppnå den ideelle mønsteret. Finjustering av parameterne for elektronstråle derfor må gjennomføres. I utgangspunktet en tynn metall er å foretrekke for enklere lift-off og ideelle tykkelse, avhenger av programmet og tykkelsen på Foto-motstå. For 2D transistoren i dette prosjektet, metall tykkelse under 100 nm er akseptabelt.

En begrensning av metoden er at manuell drift er nødvendig, så det er bare egnet for forskningsformål. Når kjeks skala syntese teknikker av disse materialene blitt godt utviklet, kan tradisjonelle halvlederteknologi ta over denne tilnærmingen. En avveining mellom får en høyere oppløsning og materiale kvalitet finnes også, når du velger mellom optisk tenkelig og alternative metoden bruker scanning elektron mikroskop (SEM) å bestemme hvor materiale. Optisk tenkelig metoden som brukes i denne protokollen gir mikrometer skala presisjon for å finne stillinger, mens SEM er mer presis, men kan forårsake skade i materialet. Derfor er bruker optisk tenkelig som foreslått i protokollen aller viktigst.

Siden år av forskning søker etter best måten å utvikle nye materialer er uunnværlig, laboratorium omfang produksjon med praktiske eksperimenter fortsatt har en viktig posisjon. Sikkert, denne metoden kan tjene ikke bare for 2D materialer, men også for 1D og uoppdagede materiale i fremtiden vil utvide mulighetene for nanoskala elektronikk.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av National Science Council, Taiwan under kontrakt. DE FLESTE 105-2112-M-003-016-MY3. Dette arbeidet ble også delvis støttet av National Nano enheten Laboratories og e-beam laboratorium i elektroteknikk ved 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