home Tecnología de fabricación Equipo de fabricación
Manufactura industrial
Internet industrial de las cosas | Materiales industriales | Mantenimiento y reparación de equipos | Programación industrial |
home  MfgRobots >> Manufactura industrial >  >> Industrial materials >> Nanomateriales

Transistor de canal de vacío a nanoescala basado en grafeno

Resumen

Divulgamos la fabricación y el rendimiento eléctrico del transistor de canal de vacío a nanoescala (NVCT) basado en grafeno. El nanocanal de vacío de noventa nanómetros de ancho podría fabricarse con precisión con un proceso estándar de litografía por haz de electrones. La optimización y el tratamiento de los daños superficiales y los residuos de adhesivo sobre el grafeno se llevan a cabo mediante limpieza ultrasónica y recocido térmico. Además, las características eléctricas in situ se realizan directamente dentro de una cámara de vacío de microscopio electrónico de barrido (SEM) con el nanomanipulador. Modulando el voltaje de la puerta, el NVCT podría cambiarse de estado apagado a estado encendido, mostrando una relación de corriente de encendido / apagado de hasta 10 2 con tensiones de trabajo bajas (<20 V) y corriente de fuga (<0,5 nA). Además, el canal de vacío a nanoescala podría permitir reducir el tamaño de los dispositivos de vacío con alta integración, lo que convierte a NVCT en un candidato prometedor para aplicaciones de alta velocidad.

Antecedentes

A medida que la tecnología tradicional basada en Si alcanza gradualmente la limitación de minimizar, se han realizado muchos esfuerzos en las nuevas nanoestructuras o materiales de baja dimensión [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. Entre estos temas destacados, los transistores compuestos de canales de vacío a nanoescala o conocidos como nanogap han estado atrayendo constantemente la atención [8, 9, 10]. A diferencia de los primeros tubos de vacío con alto consumo de energía y dificultad para una alta integración, las estructuras nanogap son más prospectivas para la nanoelectrónica moderna. Para los transistores de efecto de campo (FET) convencionales, los portadores pueden colisionar con los fonones ópticos y acústicos durante el transporte. Además, se descubrió que los FET intrínsecos basados ​​en grafeno tienen una relación de corriente de encendido-apagado inferior a 10 debido a la falta de una banda prohibida, que no son adecuados para los circuitos lógicos integrados modernos. Intrínsecamente, los electrones podrían viajar balísticamente a través del canal de vacío a nanoescala mientras sufren una colisión o dispersión en los semiconductores. Y los nanodispositivos de vacío podrían ser compatibles con el proceso de silicio estándar y combinar las ventajas del transporte balístico con la miniaturización y la integración. Por lo tanto, los transistores de canal de vacío a nanoescala (NVCT) pueden generar una salida de alta frecuencia [9, 11], una relación de encendido / apagado [12] o una respuesta temporal rápida [13] con un voltaje de trabajo bajo. Más importante aún, se ha demostrado que el NVCT conserva las ventajas de los tubos de vacío tradicionales que operan normalmente en las condiciones extremas, como la exposición a radiación ionizante o alta temperatura [8]. El desarrollo de la tecnología de fabricación puede abrir enormes oportunidades para crear un canal de vacío a nanoescala, que podría ser compatible con los circuitos integrados (IC) modernos.

Como resultado, se han realizado muchos intentos para reducir la escala del canal de vacío a nanogap y construir tres uniones terminales. Por ejemplo, la estructura vertical se utilizó ampliamente en los dispositivos electrónicos de vacío tradicionales [14, 15]. Los investigadores han propuesto diferentes tipos de NVCT verticales, donde los electrones podrían emitirse directamente fuera del plano, por ejemplo, el transistor de vacío de tipo rendija [16] o el NVCT de tipo Spindt [17]. Sin embargo, la estructura vertical difícilmente podría ser compatible con el proceso CMOS. En comparación con la estructura de arriba hacia abajo, los NVCT planos son más prospectivos para la integración futura, ya que el nanogap es variable con el diseño de la máscara, incluida la litografía por haz de electrones (EBL) [18], el haz de iones enfocado (FIB) [19] o la nanoimpresión [20 ]. Recientemente, se han fabricado transistores de vacío de tipo plano con canal nanogap con procesamiento de semiconductores tradicional. Meyyappan y col. demostraron un transistor de nanocanales de vacío de puerta trasera con procesamiento de semiconductores de silicio estándar, que muestra características de conmutación de alta frecuencia con una corriente de fuga insignificante [9]. Para mejorar la capacidad de control de la puerta, fabricaron aún más una puerta envolvente NVCT que consta de un canal de vacío de menos de 50 nm, y se demostró que el dispositivo resiste la radiación ionizante (protones y rayos gamma) y las altas temperaturas (200 ° C). [8]. Wei y col. fabricó con éxito un transistor de vacío basado en grafeno con un mejor rendimiento eléctrico que esos transistores de estado sólido basados ​​en grafeno. Con una relación de corriente de encendido / apagado superior y bajos voltajes de trabajo, se espera que el grafeno NVCT se aplique en entornos severos como radiación electromagnética o temperaturas extremas [12]. Nuestro trabajo anterior también fabricó con precisión matrices nanogap alineadas por debajo de 30 nm con un proceso bien controlado [21]. Los resultados experimentales anteriores indican que los nanodispositivos de vacío, compuestos por el canal de vacío a nanoescala, tienen las ventajas de una alta velocidad de respuesta, bajo voltaje de funcionamiento y un rendimiento de conmutación superior y, lo que es más importante, podrían ser compatibles con el proceso de silicio estándar y combinar el ventajas del transporte balístico con miniaturización e integración. En particular, el nanocanal que es más pequeño que el camino libre medio del electrón puede comportarse como vacío sin dispersión ni colisión. Por lo tanto, el NVCT puede funcionar en un entorno de bajo vacío o incluso en una atmósfera, allanando el camino para una nueva generación de dispositivos electrónicos de vacío de alto rendimiento, alta velocidad y bajo costo.

Aquí, informamos sobre la fabricación de un NVCT basado en grafeno utilizando un método de transferencia en húmedo optimizado y procesamiento EBL estándar. Se ha logrado un nanocanal de vacío de 90 nm con una estructura de puerta trasera, que podría modular el campo eléctrico del área emisora ​​y la transmisión de electrones a través del emisor al colector. Las características eléctricas in situ se realizan en la cámara de vacío del microscopio electrónico de barrido (SEM) con un nanomanipulador, mostrando la funcionalidad básica con una alta relación de corriente de encendido / apagado, bajo voltaje de trabajo y corriente de fuga. Es importante destacar que creemos que una mayor reducción del tamaño del canal podría cumplir con aplicaciones de alta velocidad, alta confiabilidad y bajo costo para la electrónica moderna.

Métodos

Transferencia húmeda

En este informe, el grafeno a gran escala se cultivó directamente en la lámina de Cu mediante deposición de vapor químico térmico (CVD) a 1020 ° C con CH 4 (20 sccm) y H 2 (40 sccm) [22]. Entre varias técnicas de transferencia para grafeno cultivado con CVD, el método principal es la transferencia química utilizando PMMA como capa de soporte. En primer lugar, se revistió por centrifugación una capa de PMMA sobre la película de grafeno / Cu y se horneó a 100 ° C durante 5 min para solidificar el PMMA. Después de grabar en FeCl 3 :HCl:H 2 O (relación de masa molar de 1:1:1) durante 90 min, la película restante de PMMA / grafeno se transfirió y se remojó en agua desionizada durante 5 min. Esta operación de limpieza se repitió cuatro o cinco veces para eliminar completamente el residuo de la solución de grabado. Luego, la película de PMMA / grafeno se transfirió al SiO 2 / Si sustratos y se secan a 100 ° C durante 5 min, eliminando el agua residual entre la membrana y el sustrato. Por último, la muestra se empapó en la solución de acetona durante una hora para eliminar la capa de soporte de PMMA.

Sin embargo, observamos que el proceso de transferencia en húmedo tradicional podría provocar grietas o arrugas en la superficie del grafeno con residuos masivos de PMMA, lo que puede influir en gran medida en el rendimiento eléctrico posterior. Como resultado, utilizamos aún más el ultrasonido [23] para limpiar el SiO 2 / Sustratos de Si con un proceso de post-recocido basado en el método tradicional de transferencia en húmedo, como se muestra en la Fig. 1. Combinando con un tratamiento ultrasónico de 1 h (potencia de 100 W y frecuencia de 50 Hz), tanto la hidrofilicidad como la planitud del sustrato se mejoraron, que una membrana de grafeno de 2 cm × 2 cm podría transferirse continuamente al sustrato (Fig. 2a). Además, introducimos un proceso de recocido post-térmico [24, 25] para eliminar eficazmente el residuo de PMMA, con un flujo de mezcla de Ar 2 (100 sccm) y H 2 (40 sccm) a 300 ° C durante 3 h. Los detalles y la discusión del proceso de optimización se muestran en el archivo adicional 1.

Procesos de transferencia química de grafeno sin recocido en atmósfera reductora. Los recuadros son fotografías ópticas de grafeno transferidas sobre SiO 2 / Sustrato de Si con (derecha) o sin recocido (izquierda), respectivamente

Fotografía óptica de un 2 de 2 × 2 cm grafeno en SiO 2 / Sustrato de Si ( a ). Imagen SEM del grafeno transferido ( b ). Espectro Raman típico que muestra las características básicas del grafeno ( c )

La Figura 2a muestra claramente la fotografía óptica de la película de grafeno de 2 cm × 2 cm producida en SiO 2 / Sustrato de Si, indicando la excelente transparencia del grafeno. El grafeno / SiO 2 se caracterizó por un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (Quanta 200 FEI), como se muestra en la Fig. 2b. La imagen SEM demuestra que el grafeno se transfirió de manera continua y uniforme al sustrato con pocas grietas o arrugas. Además, la espectroscopia Raman (excitación láser de 514 nm) se usa comúnmente para evaluar la calidad del grafeno transferido. La Figura 2c muestra el espectro Raman típico del grafeno en SiO 2 / Sustrato de Si. Con pico D discreto ubicado a 1349 cm −1 , los picos G y 2D se pudieron observar claramente a 1587 y 2685 cm −1 con una relación 2D / G de 2,19. La baja intensidad del pico D demuestra que se generaron pocos defectos adicionales durante el proceso de transferencia. El pico 2D es estrecho con una relación I G / I 2D por debajo de 0,5, que indica las características básicas del grafeno de una sola capa. Los resultados del espectro Raman muestran una alta calidad y continuidad del grafeno con nuestro método de transferencia química optimizado.

Fabricación de transistor de canal de vacío a nanoescala basado en grafeno

La Figura 3 ilustra el proceso de fabricación de un transistor de canal de vacío a nanoescala basado en grafeno. En primer lugar, el SiO 2 de 100 nm El aislante se depositó mediante el método PECVD (deposición química de vapor mejorada con plasma), y posteriormente se transfirió el químico de grafeno al sustrato. Los contactos de oro se depositaron sobre grafeno mediante evaporación por haz de electrones (Cr de 5 nm y Au de 80 nm) con un proceso de despegue posterior. Después de un recubrimiento giratorio de PMMA sobre la superficie del grafeno, el canal de nanovacío se formó con EBL estándar (Vistec, EBPG 5000plus ES) con un O 2 seguido -grabado con plasma. Los nanogaps se colocaron para cortar la membrana de grafeno en dos mitades. Las muestras se limpiaron con acetona, alcohol isopropílico y agua desionizada, respectivamente. Por último, las muestras se procesaron mediante 1 h de recocido a 300 ° C con el flujo de hidrógeno (40 sccm) y argón (100 sccm). La Figura 4a muestra la imagen SEM de NVCT basada en grafeno, con contactos de Au en ambos lados del emisor y colector de grafeno. Y la Fig. 4b muestra un acercamiento del NVCT, que muestra un canal de vacío de aproximadamente 90 nm de ancho que permite que los electrones se transporten balístico a través del nanogap.

Diagrama esquemático del proceso de fabricación del transistor de canal de vacío a nanoescala basado en grafeno

Imagen SEM de NVCT basada en grafeno con contactos Au ( a ). Un acercamiento del canal de vacío de ~ 90 nm ( b )

Resultados y discusión

Para estudiar el mecanismo de transporte de electrones a través del nanocanal de vacío, las mediciones de emisión de campo in situ se realizan con un nanomanipulador en la cámara de vacío de SEM (presión base de ~ 10 −4 Pa), como se muestra en la Fig. 5a. El sistema nanomanipulador fue desarrollado para la observación y medición en tiempo real de la emisión de campo en un entorno de vacío, que podría considerarse como la estación de sonda dentro de la cámara SEM y permitir ubicar o probar las muestras. Además, el método de prueba in situ podría reflejar las propiedades eléctricas del NVCT basado en grafeno de manera más objetiva y servir mejor al diseño de la estructura de nanogap. El nanomanipulador está equipado con micropuntas de tungsteno en forma de cilindro y está conectado a la unidad de medida de fuente digital Keithely 2400. Para evitar la ruptura del vacío y el daño del grafeno, se impuso un límite de corriente de 10 μA durante el proceso de prueba. Se aplicó un sesgo entre las películas de grafeno separadas y se aumentó manualmente en un paso de voltaje de 0,1 V, para que los electrones se emitan lateralmente desde los bordes de grafeno.

Medición de emisiones de campo in situ del transistor de nanocanales de vacío basado en grafeno ( a ). Diagrama de bandas de NVCT basado en grafeno en V g < V umbral y V g > V umbral ( b , c )

La Figura 5b, c muestra el diagrama de bandas de NVCT basado en grafeno en estados de encendido y apagado, respectivamente. Generalmente, el voltaje de puerta aplicado en la puerta trasera podría modular la barrera de vacío entre el emisor y el colector. Cuando el voltaje de la puerta es menor que el voltaje de umbral, la barrera es demasiado ancha para hacer túneles de campo para electrones de baja energía. Además, los electrones pueden recibir dispersión por las impurezas en el SiO 2 superficie y atrapado a los inconvenientes del emisor. A medida que el voltaje de la puerta aumenta más allá del voltaje umbral, el ancho de la barrera se comprime en consecuencia. Los electrones podrían superar la barrera estrecha a través del túnel F-N, lo que lleva al estado de encendido del NVCT. Además, la capacidad de sintonización de la banda de energía del grafeno por el voltaje de la puerta puede ser otra contribución, ya que la conductividad eléctrica del grafeno de capa única se puede modular mediante el voltaje de la puerta. A medida que aumenta el voltaje de la puerta, el nivel de Fermi E F cambiar a la banda de conducción, por lo tanto, mejorar la densidad de electrones de la superficie del grafeno y mejorar la corriente de emisión.

Para explorar más las propiedades eléctricas y ampliar las aplicaciones de NVCT basado en grafeno, la salida (V c frente a I c ) y transferir (V g frente a I c ) se investigan las características, como se muestra en la Fig. 6a, b, respectivamente. De manera similar a los transistores de efecto de campo (FET) típicos basados ​​en grafeno, el NVCT basado en grafeno podría modularse en estado apagado o encendido por el voltaje de la puerta. La Figura 6a ilustra la característica de salida típica con voltaje de puerta V g aumentando de 0 a 15 V. Se nota que no hay emisión de electrones obvia I c se midieron cuando V g es menor que el voltaje de umbral, lo que indica que el NVCT está en el estado apagado. Como V g aumenta y excede el voltaje de umbral, el NVCT cambia al estado encendido que I c exhiben un crecimiento exponencial con voltaje de colector V c . La característica de transferencia con V c =7,5 V se muestra en la Fig. 6b en escala lineal (línea roja) y exponencial (línea negra), respectivamente. Podemos ver que el voltaje de umbral es de aproximadamente 6 V con un voltaje de colector fijo de 7.5 V, y I c crece rápidamente cuando V g es mayor que el voltaje umbral. Además, las curvas trazadas en escala exponencial (línea negra) exhiben una relación de encendido / apagado superior a 10 2 , que es superior a los FET de grafeno intrínsecos debido a la falta de bandgap. Wei y col. supone que las propiedades de emisión de electrones están relacionadas con la topografía de la superficie del grafeno o la distancia del emisor al colector [12]. Por lo tanto, un mayor estrechamiento del ancho del nanogap o la modificación de la estructura pueden permitir mejorar la relación de corriente de encendido / apagado y la emisión de electrones.

Las características de salida con V g de 0 a 15 V ( a ). Las características de transferencia muestran una relación de activación / desactivación superior a 10 2 ( b ). Corriente de fuga de NVCT basado en grafeno ( c ). Prueba de estabilidad a diferentes grados de vacío ( d ). El recuadro muestra los cambios en la geometría de la superficie después de una prueba estable

Para descartar la posibilidad de emisión de electrones a través del aislante, también detectamos la corriente de fuga durante la medición. Se observa una corriente de fuga baja e insignificante (menos de 0,5 nA), debido al SiO 2 de 100 nm de espesor aislante. Sin embargo, con una estructura de puerta trasera, el aislante juega un papel crucial en el dispositivo. Un aislante delgado podría mejorar la capacidad de modulación de la puerta trasera, mientras que el aislante debería ser lo suficientemente fuerte para evitar averías. Como resultado, optimizar el material aislante para disminuir el espesor y mejorar la resistencia a la ruptura, por ejemplo, utilizando Al 2 O 3 o HfO 2 ya que el aislante de puerta de alto k [26,27,28,29,30,31], de hecho podría mejorar el rendimiento eléctrico del NVCT. Además, la prueba de estabilidad del NVCT a diferentes grados de vacío se muestra en la Fig. 6d con un colector fijo y voltaje de compuerta establecido en 7.5 V y 15 V, respectivamente. Con la alta conductividad térmica del grafeno, la disminución de la corriente de emisión inducida por el calentamiento Joule se debilita, sin mostrar degradación ni fluctuación obvias a un grado de vacío de ~ 10 −4 Pa. Sin embargo, se observa una reducción lenta de la corriente en vacío bajo (~ 10 −1 Pensilvania). El recuadro muestra claramente la fractura y las grietas en la superficie del grafeno después de la prueba de estabilidad. Se supone que el calor Joule se agrega en el emisor de grafeno y daña la morfología de la superficie, lo que lleva a la degradación de la corriente de emisión en vacío bajo [32, 33]. Esperamos que pueda resolverse en el trabajo futuro, de modo que amplíe el alcance de la aplicación y la ocasión del NVCT basado en grafeno.

Para comparar el rendimiento de los transistores de canal de vacío a nanoescala basados ​​en diferentes tipos o materiales, el ancho del canal, el voltaje de operación, la corriente de trabajo, la relación de encendido / apagado, la corriente de puerta y la prueba de estabilidad se enumeran en la Tabla 1. Obviamente, el vacío basado en Si Los transistores de canal (back-gate y gate-all-around) ilustran un mejor rendimiento que los dispositivos basados ​​en grafeno. Al comparar la corriente de la puerta, se puede ver que el consumo de energía de nuestro NVCT basado en grafeno es superior al de otros dispositivos. Mientras tanto, el canal de vacío de 90 nm de ancho podría permitir reducir el tamaño de los dispositivos de vacío y cumplir con NVCT en el chip con múltiples funcionalidades. Sin embargo, los rendimientos de la relación de encendido / apagado o la corriente de trabajo de nuestro dispositivo están muy por detrás de otras estructuras y aún necesitan más mejoras en la optimización del proceso de fabricación y los parámetros de la estructura. Esperamos que pueda presentarse en una publicación futura.

Conclusión

En conclusión, se fabricó con éxito un NVCT basado en grafeno con un proceso CMOS estándar. Utilizamos el ultrasonido para limpiar el SiO 2 / Sustratos de Si con un proceso de post-recocido basado en el método tradicional de transferencia en húmedo que permite transferir continuamente una membrana de grafeno de 2 cm × 2 cm al sustrato. Se investigaron las propiedades eléctricas de NVCT. Modulando el voltaje de la puerta, el NVCT podría cambiarse de estado apagado a estado encendido, mostrando una relación de corriente de encendido / apagado de hasta 10 2 con tensiones de trabajo bajas (<20 V) y corriente de fuga (<0,5 nA). La mejora adicional del NVCT basado en grafeno mediante la optimización de la estructura puede allanar el camino para aplicaciones de alta velocidad, alta confiabilidad y bajo costo para la nanoelectrónica de vacío moderna.

Abreviaturas

CVD:

Deposición de vapor químico

EBL:

Litografía por haz de electrones

FET:

Transistor de efecto de campo

FIB:

Haz de iones enfocado

IC:

Circuito integrado

NVCT:

Transistor de canal de vacío a nanoescala

PECVD:

Deposición de vapor químico mejorada con plasma

PMMA:

Polimetacrilato de metilo

SEM:

Microscopio electrónico de barrido


Nanomateriales

  • Metal
  • Resina
  • fibra
  • Material compuesto
  • Nanomateriales
  • Materiales poliméricos
  • Biologicos
  • Teñir
  • Especias

    1. Transistor como conmutador
    2. IGFET de tipo de agotamiento
    3. IGBT
    4. El transistor de unión única (UJT)
    5. Aspiradora
    6. Los científicos de IBM inventan un termómetro para nanoescala
    7. ¿Qué es la formación al vacío?
    8. Transistor BC558:todo lo que necesita saber
    9. Identificación de fugas en sistemas de vacío
    10. Bombas de vacío secas y selladas con aceite
    11. Tipos de bombas de vacío industriales