Graphen-basierter Vakuumkanaltransistor im Nanobereich

Hintergrund

Da die traditionelle Si-basierte Technologie nach und nach die Minimierungsgrenze erreicht, wurden viele Anstrengungen in Bezug auf neuartige Nanostrukturen oder niedrigdimensionale Materialien unternommen [1,2,3,4,5,6,7]. Unter diesen prominenten Problemen haben Transistoren, die aus nanoskaligen Vakuumkanälen bestehen oder als Nanogap bekannt sind, ständig Aufmerksamkeit auf sich gezogen [8,9,10]. Anders als die frühen Vakuumröhren mit hohem Stromverbrauch und Schwierigkeiten für eine hohe Integration sind die Nanogap-Strukturen für die moderne Nanoelektronik vielversprechender. Bei herkömmlichen Feldeffekttransistoren (FETs) können die Träger während des Transports mit den optischen und akustischen Phononen kollidieren. Außerdem wurde festgestellt, dass intrinsische Graphen-basierte FETs aufgrund des Fehlens einer Bandlücke ein Ein-Aus-Stromverhältnis von weniger als 10 aufweisen, die für moderne integrierte Logikschaltungen nicht geeignet sind. An sich könnten Elektronen ballistisch durch den nanoskaligen Vakuumkanal wandern, während sie unter Kollision oder Streuung in den Halbleitern leiden. Und die Vakuum-Nanogeräte könnten mit Standard-Silizium-Prozessen kompatibel sein und die Vorteile des ballistischen Transports mit Miniaturisierung und Integration kombinieren. Somit können die nanoskaligen Vakuumkanaltransistoren (NVCTs) eine hohe Frequenz [9, 11], ein Ein/Aus-Verhältnis [12] oder eine schnelle zeitliche Reaktion [13] mit niedriger Arbeitsspannung ausgeben. Noch wichtiger ist, dass die NVCT nachweislich die Vorteile der herkömmlichen Vakuumröhren beibehält, die unter extremen Bedingungen wie Exposition gegenüber ionisierender Strahlung oder hohen Temperaturen normal funktionieren [8]. Die Entwicklung der Fertigungstechnologie kann enorme Möglichkeiten für die Schaffung von Vakuumkanälen im Nanomaßstab eröffnen, die mit modernen integrierten Schaltungen (IC) kompatibel sein könnten.

Als Ergebnis wurden viele Versuche unternommen, den Vakuumkanal in eine Nanolücke zu verkleinern und drei Anschlussübergänge zu konstruieren. Beispielsweise wurde die vertikale Struktur in den traditionellen elektronischen Vakuumgeräten weit verbreitet verwendet [14, 15]. Forscher haben verschiedene Arten von vertikalen NVCTs vorgeschlagen, bei denen die Elektronen direkt aus der Ebene emittieren könnten, z. B. der Vakuumtransistor vom Schlitztyp [16] oder der NVCT vom Spindt-Typ [17]. Die vertikale Struktur könnte jedoch kaum mit dem CMOS-Prozess kompatibel sein. Im Vergleich zur Up-Down-Struktur sind die planaren NVCT aussichtsreicher für eine zukünftige Integration, da die Nanolücke mit dem Maskenlayout variabel ist, einschließlich Elektronenstrahllithographie (EBL) [18], fokussierter Ionenstrahl (FIB) [19] oder Nanoimprinting [20 ]. In letzter Zeit wurden Vakuumtransistoren vom Planartyp mit Nanogap-Kanal mit herkömmlicher Halbleiterverarbeitung hergestellt. Meyyappanet al. demonstrierten einen Back-Gate-Vakuum-Nanokanaltransistor mit Standard-Silizium-Halbleiterverarbeitung, der Hochfrequenz-Schalteigenschaften mit vernachlässigbarem Leckstrom zeigt [9]. Um die Steuerbarkeit des Gates zu verbessern, stellten sie außerdem ein Surround-Gate-NVCT her, das aus einem Sub-50-nm-Vakuumkanal besteht, und das Gerät stand nachweislich gegen ionisierende Strahlung (Protonen- und Gammastrahlen) und hohe Temperaturen (200 °C) [8]. Weiet al. erfolgreich einen Graphen-basierten Vakuumtransistor mit besserer elektrischer Leistung als diese Graphen-basierten Festkörpertransistoren hergestellt. Mit überlegenem Ein-/Aus-Stromverhältnis und niedrigen Arbeitsspannungen wird erwartet, dass das Graphen-NVCT in rauen Umgebungen wie elektromagnetischer Strahlung oder extremen Temperaturen eingesetzt wird [12]. Unsere früheren Arbeiten stellten auch mit einem gut kontrollierten Prozess präzise ausgerichtete Nanogap-Arrays unter 30 nm her [21]. Die obigen experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Vakuum-Nanogeräte, die aus dem nanoskaligen Vakuumkanal bestehen, die Vorteile einer hohen Ansprechgeschwindigkeit, einer niedrigen Betriebsspannung und einer überragenden Schaltleistung aufweisen und, was noch wichtiger ist, mit Standard-Siliziumprozessen kompatibel sein könnten und die Vorteile des ballistischen Transports mit Miniaturisierung und Integration. Insbesondere der Nanokanal, der kleiner als die mittlere freie Weglänge des Elektrons ist, kann sich ohne Streuung oder Kollision wie ein Vakuum verhalten. Somit kann das NVCT in Umgebungen mit niedrigem Vakuum oder sogar Atmosphäre funktionieren und den Weg für eine neue Generation von Hochleistungs-, Hochgeschwindigkeits- und kostengünstigen elektronischen Vakuumgeräten ebnen.

Hier berichten wir über die Herstellung eines Graphen-basierten NVCT mit optimierter Nasstransfermethode und Standard-EBL-Verarbeitung. Ein Vakuum-Nanokanal von 90 nm wurde mit einer Back-Gate-Struktur erreicht, die das elektrische Feld der emittierenden Fläche und die Elektronenübertragung durch den Emitter zum Kollektor modulieren könnte. In-situ elektrische Eigenschaften werden in der Vakuumkammer eines Rasterelektronenmikroskops (REM) mit einem Nanomanipulator durchgeführt und zeigen die grundlegende Funktionalität mit hohem Ein/Aus-Stromverhältnis, niedriger Arbeitsspannung und Leckstrom. Wichtig ist, dass wir glauben, dass eine weitere Verkleinerung der Kanalgröße hohe Geschwindigkeit, hohe Zuverlässigkeit und kostengünstige Anwendungen für moderne Elektronik ermöglichen könnte.

Methoden

Nasstransfer

In diesem Bericht wurde großflächiges Graphen direkt auf der Cu-Folie durch thermische chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bei 1020 °C mit CH₄ . aufgewachsen (20 sccm) und H₂ (40 sccm) [22]. Unter den verschiedenen Transfertechniken für CVD-gezüchtetes Graphen ist der chemische Transfer unter Verwendung von PMMA als Trägerschicht das Mainstream-Verfahren. Zuerst wurde eine PMMA-Schicht auf den Graphen/Cu-Film schleuderbeschichtet und bei 100 °C für 5 Minuten gebacken, um PMMA zu verfestigen. Nach dem Einätzen des FeCl₃ :HCl:H₂ O-Lösung (Molmassenverhältnis 1:1:1) für 90 min, der verbleibende PMMA/Graphen-Film wurde übertragen und 5 min in entionisiertem Wasser eingeweicht. Dieser Reinigungsvorgang wurde vier- oder fünfmal wiederholt, um den Rest der Ätzlösung vollständig zu entfernen. Dann wurde der PMMA/Graphen-Film auf das SiO₂ . übertragen /Si-Substrate und getrocknet bei 100 °C für 5 Minuten, um das Restwasser zwischen Membran und Substrat zu entfernen. Zuletzt wurde die Probe eine Stunde in der Acetonlösung eingeweicht, um die PMMA-Trägerschicht zu entfernen.

Wir haben jedoch beobachtet, dass der traditionelle Nasstransferprozess zu Rissen oder Falten auf der Graphenoberfläche mit massiven PMMA-Rückständen führen kann, was die elektrische Leistung danach stark beeinflussen kann. Infolgedessen haben wir den Ultraschall [23] weiter verwendet, um das SiO₂ . zu reinigen /Si-Substrate mit einem Nachtemperprozess basierend auf dem traditionellen Nasstransferverfahren, wie in Abb. 1 gezeigt. Kombination mit 1-h-Ultraschallbehandlung (Leistung von 100 W und Frequenz von 50 Hz), sowohl Hydrophilie als auch Ebenheit des Substrats verbessert, dass eine 2 cm × 2 cm große Graphenmembran kontinuierlich auf das Substrat übertragen werden kann (Abb. 2a). Darüber hinaus führen wir einen postthermischen Glühprozess [24, 25] ein, um die PMMA-Rückstände mit einem Mischfluss von Ar₂ . effektiv zu entfernen (100 sccm) und H₂ (40 sccm) bei 300 °C für 3 h. Details und Erläuterungen zum Optimierungsprozess finden Sie in der zusätzlichen Datei 1.

Verfahren zur chemischen Übertragung von Graphen ohne Glühen in reduzierender Atmosphäre. Die Einschübe sind die optischen Fotografien von Graphen, das auf SiO₂ . übertragen wurde /Si-Substrat mit (rechts) bzw. ohne (links) Tempern

Optisches Foto von 2 × 2 cm ² Graphen auf SiO₂ /Si-Substrat (a ). REM-Aufnahme des übertragenen Graphens (b ). Typisches Raman-Spektrum, das die grundlegenden Eigenschaften von Graphen zeigt (c )

Abbildung 2a zeigt deutlich das optische Foto des hergestellten 2 cm × 2 cm großen Graphenfilms auf SiO₂ . /Si-Substrat, was auf die ausgezeichnete Transparenz von Graphen hinweist. Das Graphen/SiO₂ wurde durch ein Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (Quanta 200 FEI) charakterisiert, wie in Abb. 2b gezeigt. Das REM-Bild zeigt, dass das Graphen kontinuierlich und gleichmäßig mit wenigen Rissen oder Wellen auf das Substrat übertragen wurde. Darüber hinaus wird häufig die Raman-Spektroskopie (514-nm-Laseranregung) verwendet, um die Qualität des übertragenen Graphens zu bewerten. Abbildung 2c zeigt das typische Raman-Spektrum von Graphen auf SiO₂ /Si-Substrat. Mit unauffälligem D-Peak bei 1349 cm ⁻¹ , konnten die G- und 2D-Peaks bei 1587 und 2685 cm ⁻¹ . deutlich beobachtet werden mit einem 2D/G-Verhältnis von 2,19. Die geringe Intensität des D-Peaks zeigt, dass während des Übertragungsprozesses nur wenige zusätzliche Defekte erzeugt wurden. Der 2D-Peak ist schmal mit dem Verhältnis I_G /I_2D unter 0,5, was die grundlegenden Eigenschaften von einschichtigem Graphen anzeigt. Die Ergebnisse des Raman-Spektrums zeigen eine hohe Qualität und Kontinuität des Graphens mit unserer optimierten chemischen Transfermethode.

Herstellung eines nanoskaligen Vakuumkanaltransistors auf Graphenbasis

Abbildung 3 veranschaulicht den Herstellungsprozess eines nanoskaligen Vakuumkanaltransistors auf Graphenbasis. Erstens das 100-nm-SiO₂ Der Isolator wurde durch das PECVD-Verfahren (plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) abgeschieden, wobei anschließend die Graphenchemikalie auf das Substrat übertragen wurde. Auf Graphen wurden Goldkontakte durch Elektronenstrahlverdampfung (5 nm Cr und 80 nm Au) mit anschließendem Abhebeprozess abgeschieden. Nach dem Aufschleudern von PMMA auf der Graphenoberfläche wurde der Nanovakuumkanal durch Standard-EBL (Vistec, EBPG 5000plus ES) mit einem anschließenden O₂ . gebildet -Plasmaätzung. Die Nanogaps wurden positioniert, um die Graphenmembran in zwei Hälften zu schneiden. Die Proben wurden mit Aceton, Isopropylalkohol bzw. entionisiertem Wasser gereinigt. Zuletzt wurden die Proben über 1 h Glühen bei 300 °C im Fluss von Wasserstoff (40 sccm) und Argon (100 sccm) verarbeitet. Abbildung 4a zeigt das SEM-Bild eines Graphen-basierten NVCT mit Au-Kontakten auf beiden Seiten des Graphen-Emitters und -Kollektors. Und Abb. 4b zeigt eine Vergrößerung des NVCT, die einen etwa 90 nm breiten Vakuumkanal zeigt, der den Elektronen einen ballistischen Transport durch die Nanolücke ermöglicht.

Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses des nanoskaligen Vakuumkanaltransistors auf Graphenbasis

REM-Aufnahme einer Graphen-basierten NVCT mit Au-Kontakten (a ). Eine Vergrößerung des ~ 90 nm-Vakuumkanals (b )

Ergebnisse und Diskussion

Um den Mechanismus des Elektronentransports durch den Vakuum-Nanokanal zu untersuchen, werden die in-situ-Feldemissionsmessungen mit einem Nanomanipulator in der Vakuumkammer des REM durchgeführt (Basisdruck ~ 10 ⁻⁴ Pa), wie in Abb. 5a gezeigt. Das Nanomanipulatorsystem wurde für die Echtzeitbeobachtung und Messung der Feldemission in einer Vakuumumgebung entwickelt, die als Sondenstation innerhalb der REM-Kammer betrachtet werden könnte und es ermöglicht, die Proben zu lokalisieren oder zu testen. Auch könnte die In-situ-Testmethode die elektrischen Eigenschaften des Graphen-basierten NVCT objektiver widerspiegeln und dem Design von Nanogap-Strukturen besser dienen. Der Nanomanipulator ist mit zylinderförmigen Wolfram-Mikrospitzen ausgestattet und an die digitale Quellenmesseinheit Keithely 2400 angeschlossen. Um einen Vakuumdurchschlag und eine Beschädigung von Graphen zu vermeiden, wurde während des Testprozesses eine Strombegrenzung von 10 μA festgelegt. Zwischen den getrennten Graphenfilmen wurde eine Vorspannung angelegt und manuell mit einem Spannungsschritt von 0,1 V erhöht, damit die Elektronen seitlich von den Graphenkanten emittiert werden.

In-situ-Feldemissionsmessung des Graphen-basierten Vakuum-Nanokanal-Transistors (a ). Banddiagramm der graphenbasierten NVCT bei V _g < V _Schwelle und V _g> V _Schwelle (b , c )

Abbildung 5b, c zeigt das Banddiagramm der graphenbasierten NVCT im Ein- bzw. Ausschaltzustand. Im Allgemeinen könnte die am Back-Gate angelegte Gatespannung die Vakuumbarriere zwischen Emitter und Kollektor modulieren. Wenn die Gatespannung kleiner als die Schwellenspannung ist, ist die Barriere zu breit, um ein Feldtunneln für niederenergetische Elektronen zu ermöglichen. Außerdem können die Elektronen durch die Verunreinigungen auf dem SiO₂ . gestreut werden Oberfläche und gefangen an den Nachteilen des Emitters. Wenn die Gatespannung über die Schwellenspannung ansteigt, wird die Breite der Barriere entsprechend komprimiert. Die Elektronen konnten die verengte Barriere über das F-N-Tunneln überwinden, was zum Ein-Zustand des NVCT führte. Darüber hinaus kann die Abstimmbarkeit des Graphen-Energiebandes durch die Gate-Spannung einen weiteren Beitrag leisten, da die elektrische Leitfähigkeit von einschichtigem Graphen durch die Gate-Spannung moduliert werden kann. Wenn die Gatespannung ansteigt, wird das Fermi-Niveau E_F Verschiebung in das Leitungsband, wodurch die Elektronendichte der Graphenoberfläche erhöht und der Emissionsstrom verbessert wird.

Um die elektrischen Eigenschaften weiter zu untersuchen und die Anwendungen der Graphen-basierten NVCT zu erweitern, wird die Ausgabe (V_c vs. I_c ) und übertragen (V_g vs. I_c ) werden die Eigenschaften untersucht, wie in Fig. 6a bzw. b gezeigt. Ähnlich wie die typischen graphenbasierten Feldeffekttransistoren (FETs) könnte der graphenbasierte NVCT im ausgeschalteten oder eingeschalteten Zustand durch die Gatespannung moduliert werden. Abbildung 6a zeigt die typische Ausgangskennlinie mit Gatespannung V _g von 0 auf 15 V ansteigend. Es fällt auf, dass keine offensichtliche Elektronenemission I _c wurden gemessen, als V _g kleiner als die Schwellenspannung ist, was anzeigt, dass sich das NVCT im ausgeschalteten Zustand befindet. Als V _g ansteigt und die Schwellenspannung überschreitet, schaltet das NVCT in den Ein-Zustand, den I _c zeigen ein exponentielles Wachstum mit der Kollektorspannung V _c . Die Übertragungskennlinie mit V _c = 7,5 V ist in Abb. 6b in linearer (rote Linie) bzw. exponentieller (schwarze Linie) Skala dargestellt. Wir sehen, dass die Schwellenspannung bei einer festen Kollektorspannung von 7,5 V etwa 6 V beträgt und I _c wächst schnell, wenn V _g größer als die Schwellenspannung ist. Außerdem weisen die in Exponentialskala (schwarze Linie) aufgetragenen Kurven ein Ein/Aus-Verhältnis von über 10 ² . auf , das den intrinsischen Graphen-FETs aufgrund der fehlenden Bandlücke überlegen ist. Weiet al. nimmt an, dass die Elektronenemissionseigenschaften mit der Oberflächentopographie von Graphen oder dem Abstand vom Emitter zum Kollektor zusammenhängen [12]. Somit kann eine weitere Verengung der Nanospaltbreite oder eine Modifizierung der Struktur ermöglichen, das Ein/Aus-Stromverhältnis und die Elektronenemission zu verbessern.

Die Ausgangscharakteristik mit V_g von 0 bis 15 V (a ). Die Übertragungseigenschaften zeigen ein Ein/Aus-Verhältnis von über 10 ² (b ). Leckstrom von Graphen-basiertem NVCT (c ). Stabilitätstest bei verschiedenen Vakuumgraden (d ). Der Einschub zeigt die Änderungen der Oberflächengeometrie nach einem stabilen Test

Um eine Elektronenemission durch den Isolator auszuschließen, erfassen wir während der Messung auch den Leckstrom. Aufgrund des 100 nm dicken SiO₂ . wird ein geringer und vernachlässigbarer Leckstrom (weniger als 0,5 nA) beobachtet Isolator. Bei einer Back-Gate-Struktur spielt der Isolator jedoch eine entscheidende Rolle im Gerät. Ein dünner Isolator könnte die Modulationsfähigkeit des Back-Gates verbessern, während der Isolator stark genug sein sollte, um einen Durchschlag zu vermeiden. Als Ergebnis wird das Isolatormaterial optimiert, um die Dicke zu verringern und die Durchschlagsfestigkeit zu verbessern, z. B. unter Verwendung von Al₂ O₃ oder HfO₂ wie der High-k-Gate-Isolator [26,27,28,29,30,31], die elektrische Leistung des NVCT tatsächlich verbessern könnte. Außerdem ist der Stabilitätstest des NVCT bei verschiedenen Vakuumgraden in Abb. 6d mit einer festen Kollektor- und Gatespannung von 7,5 V bzw. 15 V dargestellt. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Graphen wird die durch die Joulesche Erwärmung induzierte Abnahme des Emissionsstroms abgeschwächt und zeigt keine offensichtliche Verschlechterung und Fluktuation bei einem Vakuumgrad von ~ 10 ⁻⁴ Pa. Im niedrigen Vakuum wird jedoch eine langsame Stromreduzierung beobachtet (~ 10 ⁻¹ Pa). Der Einschub zeigt deutlich den Bruch und die Risse auf der Graphenoberfläche nach dem Stabilitätstest. Es wird vermutet, dass die Joulesche Wärme am Graphen-Emitter aggregiert und die Oberflächenmorphologie schädigt, was zu einer Verschlechterung des Emissionsstroms im Niedrigvakuum führt [32, 33]. Wir hoffen, dass es in der weiteren Arbeit gelöst werden konnte, so dass sich der Anwendungsbereich und die Gelegenheit der Graphen-basierten NVCT erweitert.

Um die Leistungen von Vakuumkanaltransistoren im Nanomaßstab basierend auf verschiedenen Typen oder Materialien zu vergleichen, sind die Kanalbreite, die Betriebsspannung, der Arbeitsstrom, das Ein/Aus-Verhältnis, der Gatestrom und der Stabilitätstest in Tabelle 1 aufgeführt. Offensichtlich ist das Si-basierte Vakuum Kanaltransistoren (Back-Gate und Gate-Rundum) veranschaulichen eine bessere Leistung als die Graphen-basierten Bauelemente. Ein Vergleich des Gate-Stroms zeigt, dass der Energieverbrauch unseres Graphen-basierten NVCT den anderen Geräten überlegen ist. In der Zwischenzeit könnte der 90-nm-breite Vakuumkanal es ermöglichen, die Größe von Vakuumgeräten zu verkleinern und On-Chip-NVCT mit mehreren Funktionen zu erfüllen. Die Leistungen des Ein/Aus-Verhältnisses oder des Arbeitsstroms unserer Vorrichtung liegen jedoch weit hinter denen anderer Strukturen zurück und müssen noch weiter verbessert werden bei der Optimierung des Herstellungsprozesses und der Strukturparameter. Wir hoffen, dass es in einer zukünftigen Veröffentlichung vorgestellt werden kann.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend wurde ein Graphen-basiertes NVCT erfolgreich mit einem Standard-CMOS-Prozess hergestellt. Wir haben den Ultraschall verwendet, um das SiO₂ . zu reinigen /Si-Substrate mit einem Nachtemperprozess basierend auf dem traditionellen Nasstransferverfahren, bei dem eine 2 cm × 2 cm große Graphenmembran kontinuierlich auf das Substrat übertragen werden kann. Die elektrischen Eigenschaften von NVCT wurden untersucht. Durch Modulieren der Gatespannung könnte der NVCT vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand geschaltet werden, was ein Ein/Aus-Stromverhältnis von bis zu 10 ² . aufweist mit niedrigen Arbeitsspannungen (< 20 V) und Ableitströmen (< 0,5 nA). Eine weitere Verbesserung der graphenbasierten NVCT durch Strukturoptimierung kann den Weg für schnelle, zuverlässige und kostengünstige Anwendungen für die moderne Vakuum-Nanoelektronik ebnen.

Abkürzungen

CVD:

Chemische Gasphasenabscheidung

EBL:

Elektronenstrahllithographie

FET:

Feldeffekttransistor

FIB:

Fokussierter Ionenstrahl

IC:

Integrierter Schaltkreis

NVCT:

Nanoskaliger Vakuumkanaltransistor

PECVD:

Plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung

PMMA:

Polymethylmethacrylat

SEM:

Rasterelektronenmikroskop