Een standaard en betrouwbare methode om te fabriceren tweedimensionale nano-elektronica
Summary
Het artikel beoogt de invoering van een standaard en betrouwbare fabricage-procedure voor de ontwikkeling van toekomstige lage dimensionale nano-elektronica.
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).
Protocol
Representative Results
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 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
References
- Kim, Y. B. Challenges for Nanoscale MOSFETs and Emerging Nanoelectronics. Transactions on Electrical and Electronic Materials. 11 (3), 93-105 (2010).
- Waldrop, M. M. The chips are down for Moore’s law. Nature. 530 (7589), 144-147 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Eatemadi, A., Daraee, H., et al. Carbon nanotubes: Properties, synthesis, purification, and medical applications. Nanoscale Research Letters. 9 (1), 1-13 (2014).
- 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).
- 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).
- Blaschke, B. M., Tort-Colet, N., et al. Mapping brain activity with flexible graphene micro-transistors. 2D Materials. 4 (2), 25040 (2017).
- 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).
- 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).
- Manzeli, S., Ovchinnikov, D., Pasquier, D., Yazyev, O. V., Kis, A. 2D transition metal dichalcogenides. Nature Reviews Materials. 2, (2017).
- Kolobov, A. V., Tominaga, J. . Emerging Applications of 2D TMDCs. 239, 473-512 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Xiao, H. . Introduction to Semiconductor Manufacturing Technology, Second Edition. , (2012).
- 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).
- Qi, J., Lan, Y. W., et al. Piezoelectric effect in chemical vapour deposition-grown atomic-monolayer triangular molybdenum disulfide piezotronics. Nature Communications. 6, (2015).
