Наноразмерный вакуумный канальный транзистор на основе графена

Фон

Поскольку традиционная технология на основе Si постепенно достигает минимального ограничения, многие усилия были предприняты в новых наноструктурах или низкоразмерных материалах [1,2,3,4,5,6,7]. Среди этих важных проблем, транзисторы, состоящие из вакуумных каналов нанометрового размера или известные как нанозазор, постоянно привлекают внимание [8,9,10]. В отличие от ранних электронных ламп с высоким энергопотреблением и сложностью для высокой интеграции, нанозазорные структуры более перспективны для современной наноэлектроники. Для обычных полевых транзисторов (FET) носители могут сталкиваться с оптическими и акустическими фононами во время транспортировки. Кроме того, было обнаружено, что собственные полевые транзисторы на основе графена имеют коэффициент включения / выключения менее 10 из-за отсутствия запрещенной зоны, что не подходит для современных интегральных логических схем. По сути, электроны могут баллистически перемещаться через вакуумный канал наноразмерного масштаба, страдая от столкновений или рассеяния в полупроводниках. А вакуумные наноустройства могут быть совместимы со стандартным кремниевым процессом и сочетать в себе преимущества баллистической транспортировки с миниатюризацией и интеграцией. Таким образом, наноразмерные транзисторы с вакуумным каналом (NVCT) могут выдавать высокую частоту [9, 11], соотношение включения / выключения [12] или быстрый временной отклик [13] при низком рабочем напряжении. Что еще более важно, доказано, что NVCT сохраняет преимущества традиционных электронных ламп, которые нормально работают в экстремальных условиях, таких как воздействие ионизирующего излучения или высокой температуры [8]. Развитие производственных технологий может открыть огромные возможности для создания вакуумного канала наноразмерного масштаба, который мог бы быть совместим с современными интегральными схемами (ИС).

В результате было предпринято множество попыток уменьшить масштаб вакуумного канала до нанощели и построить три концевых перехода. Например, вертикальная структура широко использовалась в традиционных вакуумных электронных устройствах [14, 15]. Исследователи предложили различные типы вертикальных NVCT, где электроны могут излучать прямо из плоскости, например, вакуумный транзистор щелевого типа [16] или NVCT типа Spindt [17]. Однако вертикальная структура вряд ли могла быть совместима с процессом CMOS. По сравнению со структурой «вверх-вниз» планарный NVCT более перспективен для будущей интеграции, поскольку наноразрыв может изменяться в зависимости от расположения маски, включая литографию электронным пучком (EBL) [18], сфокусированный ионный пучок (FIB) [19] или наноимпринтинг [20]. ]. В последнее время вакуумные транзисторы планарного типа с каналом с нанощелевым каналом изготавливаются с использованием традиционной обработки полупроводников. Meyyappan et al. продемонстрировал вакуумный наноканальный транзистор с задним затвором со стандартной обработкой кремниевых полупроводников, демонстрирующий высокочастотные характеристики переключения с пренебрежимо малым током утечки [9]. Чтобы улучшить управляемость затвором, они дополнительно изготовили NVCT с объемным затвором, состоящим из вакуумного канала менее 50 нм, и было доказано, что устройство выдерживает ионизирующее излучение (протонное и гамма-излучение) и высокую температуру (200 ° C). [8]. Wei et al. успешно изготовил вакуумный транзистор на основе графена с лучшими электрическими характеристиками, чем твердотельные транзисторы на основе графена. Ожидается, что графеновый NVCT с превосходным соотношением тока включения / выключения и низким рабочим напряжением будет применяться в суровых условиях, таких как электромагнитное излучение или экстремальные температуры [12]. В нашей предыдущей работе также были точно изготовлены выровненные массивы нанозазоров размером менее 30 нм с помощью хорошо контролируемого процесса [21]. Приведенные выше экспериментальные результаты показывают, что вакуумные наноустройства, состоящие из вакуумного канала нанометрового размера, обладают преимуществами высокой скорости отклика, низкого рабочего напряжения и превосходных коммутационных характеристик и, что более важно, могут быть совместимы со стандартным кремниевым процессом и объединять преимущества баллистического транспорта с миниатюризацией и интеграцией. В частности, наноканал, который меньше длины свободного пробега электрона, может вести себя как вакуум без рассеяния или столкновений. Таким образом, NVCT может работать в условиях низкого вакуума или даже в атмосфере, открывая путь для нового поколения высокопроизводительных, высокоскоростных и недорогих вакуумных электронных устройств.

Здесь мы сообщаем о создании NVCT на основе графена с использованием оптимизированного метода влажного переноса и стандартной обработки EBL. Вакуумный наноканал длиной 90 нм был создан с помощью структуры с задним затвором, которая может модулировать электрическое поле излучающей области и передачу электронов через эмиттер на коллектор. Электрические характеристики in situ выполняются в вакуумной камере сканирующего электронного микроскопа (SEM) с наноманипулятором, демонстрируя основные функции с высоким отношением тока включения / выключения, низким рабочим напряжением и током утечки. Важно отметить, что мы считаем, что дальнейшее уменьшение размера канала может обеспечить высокую скорость, надежность и низкую стоимость приложений для современной электроники.

Методы

Мокрый перенос

В этом отчете крупномасштабный графен был выращен непосредственно на медной фольге методом термического химического осаждения из паровой фазы (CVD) при 1020 ° C с CH ₄ (20 sccm) и H ₂ (40 sccm) [22]. Среди различных методов переноса графена, выращенного методом CVD, основным методом является химический перенос с использованием ПММА в качестве поддерживающего слоя. Во-первых, слой ПММА был нанесен методом центрифугирования на пленку графен / Cu и запечен при 100 ° C в течение 5 минут для затвердевания ПММА. После травления в FeCl ₃ :HCl:H ₂ О (молярно-массовое соотношение 1:1:1) в течение 90 мин, оставшуюся пленку ПММА / графен переносили и вымачивали в деионизованной воде на 5 мин. Эту операцию очистки повторяли четыре или пять раз, чтобы полностью удалить остатки травильного раствора. Затем пленка ПММА / графен была перенесена на SiO ₂ / Si подложки и сушат при 100 ° C в течение 5 мин, удаляя остаточную воду между мембраной и подложкой. Наконец, образец вымачивали в растворе ацетона на час, чтобы удалить поддерживающий слой из ПММА.

Однако мы заметили, что традиционный процесс влажного переноса может привести к трещинам или складкам на поверхности графена с массивным остатком ПММА, что впоследствии может сильно повлиять на электрические характеристики. В результате мы дополнительно использовали ультразвук [23] для очистки SiO ₂ / Si подложки с процессом постотжига, основанным на традиционном методе влажного переноса, как показано на рис. 1. В сочетании с 1-часовой ультразвуковой обработкой (мощность 100 Вт и частота 50 Гц), гидрофильность и плоскостность подложки были улучшены, чтобы графеновая мембрана размером 2 см × 2 см могла непрерывно переноситься на подложку (рис. 2а). Кроме того, мы вводим процесс посттермического отжига [24, 25] для эффективного удаления остатков ПММА с потоком смеси Ar ₂ (100 sccm) и H ₂ (40 sccm) при 300 ° C в течение 3 часов. Подробности и обсуждение процесса оптимизации показаны в дополнительном файле 1.

Процессы химического переноса графена без отжига в восстановительной атмосфере. На вставках - оптические фотографии графена, перенесенного на SiO ₂ . / Подложка Si с (справа) или без (слева) отжигом соответственно

Оптическая фотография 2 × 2 см ² графен на SiO ₂ / Si подложка ( a ). СЭМ-изображение перенесенного графена ( b ). Типичный рамановский спектр, показывающий основные характеристики графена ( c )

На рис. 2а хорошо видна оптическая фотография полученной графеновой пленки размером 2 см × 2 см на SiO ₂ . / Si, что свидетельствует о превосходной прозрачности графена. Графен / SiO ₂ был исследован с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (Quanta 200 FEI), как показано на рис. 2b. Изображение SEM демонстрирует, что графен был сплошным и равномерно перенесен на подложку с несколькими трещинами или изгибами. Более того, для оценки качества перенесенного графена обычно используется рамановская спектроскопия (возбуждение лазером с длиной волны 514 нм). На рис. 2в показан типичный рамановский спектр графена на SiO ₂ . / Si подложка. С незаметным пиком D на 1349 см ⁻¹ пики G и 2D можно было отчетливо наблюдать при 1587 и 2685 см ⁻¹ с соотношением 2D / G 2,19. Низкая интенсивность пика D демонстрирует, что в процессе переноса образовалось несколько дополнительных дефектов. 2D пик узкий с отношением I _G / I _2D ниже 0,5, что указывает на основные особенности однослойного графена. Результаты рамановского спектра показывают высокое качество и целостность графена с помощью нашего оптимизированного метода химического переноса.

Изготовление наноразмерного вакуумного канального транзистора на основе графена

На рисунке 3 показан процесс изготовления наноразмерного вакуумного канального транзистора на основе графена. Во-первых, 100-нм SiO ₂ Изолятор был нанесен методом PECVD (химическое осаждение из паровой фазы) с последующим переносом графена на подложку. Золотые контакты были нанесены на графен электронно-лучевым испарением (5 нм Cr и 80 нм Au) с последующим процессом отрыва. После центрифугирования PMMA на поверхности графена нановакуумный канал был сформирован стандартным EBL (Vistec, EBPG 5000plus ES) с последующим O ₂ -плазменное травление. Нанозазоры были расположены так, чтобы разрезать графеновую мембрану на две половины. Образцы очищали ацетоном, изопропиловым спиртом и деионизированной водой соответственно. Наконец, образцы были обработаны путем отжига в течение 1 часа при 300 ° C в потоке водорода (40 см3) и аргона (100 см3). На рис. 4а показано СЭМ-изображение NVCT на основе графена с контактами Au с обеих сторон графенового эмиттера и коллектора. На рис. 4b показано увеличенное изображение NVCT, показывающее вакуумный канал шириной примерно 90 нм, который позволяет электронам баллистически переноситься через нанозазор.

Принципиальная схема процесса изготовления наноразмерного вакуумного канального транзистора на основе графена

СЭМ-изображение NVCT на основе графена с контактами Au ( a ). Увеличение вакуумного канала ~ 90 нм ( b )

Результаты и обсуждение

Для изучения механизма транспорта электронов через вакуумный наноканал, полевые эмиссионные измерения на месте выполняются с помощью наноманипулятора в вакуумной камере SEM (базовое давление ~ 10 ⁻⁴ Па), как показано на рис. 5а. Система наноманипулятора была разработана для наблюдения и измерения полевой эмиссии в режиме реального времени в вакуумной среде, которую можно рассматривать как станцию ​​зонда внутри камеры SEM и позволяющую находить или тестировать образцы. Кроме того, метод испытаний на месте может более объективно отражать электрические свойства NVCT на основе графена и лучше служить при проектировании структуры с нанозазорами. Наноманипулятор снабжен вольфрамовыми микронаконечниками цилиндрической формы и подключен к цифровому источнику измерения Keithely 2400. Во избежание пробоя вакуума и повреждения графена в процессе тестирования был установлен предел тока 10 мкА. Между разделенными пленками графена было приложено смещение, которое увеличивалось вручную с шагом 0,1 В, чтобы электроны испускались сбоку от краев графена.

Измерение полевой эмиссии на месте вакуумного наноканального транзистора на основе графена ( a ). Зонная диаграмма NVCT на основе графена при V _g < V _порог и V _g > V _порог ( б , c )

На рис. 5b, c показана зонная диаграмма NVCT на основе графена во включенном и выключенном состояниях соответственно. Как правило, напряжение затвора, приложенное к обратному затвору, может модулировать вакуумный барьер между эмиттером и коллектором. Когда напряжение на затворе меньше порогового напряжения, барьер слишком велик для туннелирования поля для электронов с низкой энергией. Кроме того, электроны могут рассеяться на примесях на SiO ₂ поверхности и уловили недостатки эмиттера. Когда напряжение затвора превышает пороговое значение, ширина барьера соответственно сжимается. Электроны могли преодолевать суженный барьер через туннелирование F-N, что приводило к включенному состоянию NVCT. Кроме того, еще одним вкладом может быть перестраиваемость энергетической полосы графена с помощью напряжения на затворе, поскольку электрическая проводимость однослойного графена может модулироваться напряжением на затворе. По мере увеличения напряжения на затворе уровень Ферми E _F сдвиг в зону проводимости, таким образом, увеличивает концентрацию электронов на поверхности графена и улучшает ток эмиссии.

Для дальнейшего изучения электрических свойств и расширения возможностей применения NVCT на основе графена вывод (V _c против меня _c ) и перенос (V _g vs. я _c ) характеристики исследуются, как показано на рис. 6а, б соответственно. Подобно типичным полевым транзисторам на основе графена (FET), NVCT на основе графена может модулироваться в выключенном или открытом состоянии напряжением затвора. На рисунке 6а показана типичная выходная характеристика с напряжением затвора В . _g возрастает от 0 до 15 В. Замечено, что нет явной эмиссии электронов I _c были измерены, когда V _g меньше порогового напряжения, что указывает на то, что NVCT находится в выключенном состоянии. Как V _g увеличивается и превышает пороговое напряжение, NVCT переключается в состояние «включено», что I _c экспоненциально возрастают с увеличением напряжения коллектора В _c . Передаточная характеристика с V _c =7,5 В показано на рис. 6б в линейной (красная линия) и экспоненциальной (черная линия) шкале соответственно. Мы видим, что пороговое напряжение составляет около 6 В при фиксированном напряжении коллектора 7,5 В, и I _c быстро растет, когда V _g больше порогового напряжения. Кроме того, кривые, построенные в экспоненциальной шкале (черная линия), показывают соотношение включения / выключения, превышающего 10 ² . , который превосходит собственные графеновые полевые транзисторы из-за отсутствия запрещенной зоны. Wei et al. предполагает, что свойства электронной эмиссии связаны с топографией поверхности графена или расстоянием от эмиттера до коллектора [12]. Таким образом, дальнейшее сужение ширины нанозазора или изменение структуры может позволить улучшить отношение тока включения / выключения и эмиссию электронов.

Выходные характеристики с V _g от 0 до 15 В ( a ). Передаточные характеристики показывают коэффициент включения / выключения, превышающий 10 ² . ( б ). Ток утечки NVCT на основе графена ( c ). Испытание на стабильность при различных степенях вакуума ( d ). На вставке показаны изменения геометрии поверхности после стабильного тестирования

Чтобы исключить возможность эмиссии электронов через изолятор, мы также обнаруживаем ток утечки во время измерения. Наблюдается низкий и незначительный ток утечки (менее 0,5 нА) из-за SiO ₂ толщиной 100 нм. изолятор. Однако в конструкции с задним затвором изолятор играет решающую роль в устройстве. Тонкий изолятор может улучшить модулирующую способность обратного затвора, в то время как изолятор должен быть достаточно прочным, чтобы избежать пробоя. В результате оптимизация изоляционного материала для уменьшения толщины и повышения прочности на пробой, например, использование Al ₂ О ₃ или HfO ₂ как изолятор затвора с высоким k [26,27,28,29,30,31], действительно может улучшить электрические характеристики NVCT. Кроме того, тест стабильности NVCT при различных степенях вакуума показан на рис. 6d с фиксированными напряжениями коллектора и затвора, установленными как 7,5 В и 15 В, соответственно. Благодаря высокой теплопроводности графена уменьшение эмиссионного тока, вызванного джоулевым нагревом, ослабляется, не показывая очевидной деградации и флуктуации при степени вакуума ~ 10 ⁻⁴ Па. Однако при низком вакууме (~ 10 ⁻¹ ) наблюдается медленное снижение тока. Па). На вставке отчетливо видны излом и трещины на поверхности графена после теста на стабильность. Предполагается, что джоулева тепло агрегируется на эмиттере графена и нарушает морфологию поверхности, что приводит к деградации тока эмиссии в низком вакууме [32, 33]. Мы надеемся, что эту проблему удастся решить в ходе дальнейшей работы, что расширит область применения и возможности NVCT на основе графена.

Для сравнения характеристик наноразмерных транзисторов с вакуумным каналом, основанных на различных типах или материалах, ширина канала, рабочее напряжение, рабочий ток, коэффициент включения / выключения, ток затвора и тест стабильности перечислены в таблице 1. Очевидно, вакуум на основе Si канальные транзисторы (задний затвор и круговой затвор) демонстрируют лучшую производительность, чем устройства на основе графена. Сравнивая ток затвора, можно увидеть, что энергопотребление нашего NVCT на основе графена превосходит другие устройства. Между тем, вакуумный канал шириной 90 нм может позволить уменьшить размер вакуумных устройств и выполнить на кристалле NVCT с множеством функций. Тем не менее, характеристики отношения включения / выключения или рабочего тока нашего устройства сильно отстают от других конструкций и все еще нуждаются в дальнейшем улучшении для оптимизации процесса изготовления и параметров конструкции. Мы надеемся, что его можно будет представить в одной из будущих публикаций.

Заключение

В заключение, NVCT на основе графена была успешно изготовлена ​​с использованием стандартного процесса CMOS. Мы использовали ультразвук для очистки SiO ₂ / Si подложки с процессом пост-отжига, основанным на традиционном методе влажного переноса, при котором графеновая мембрана 2 см × 2 см может быть непрерывно перенесена на подложку. Были исследованы электрические свойства NVCT. Модулируя напряжение затвора, NVCT можно переключать из выключенного состояния в активное, показывая соотношение тока включения / выключения до 10 ² с низкими рабочими напряжениями (<20 В) и током утечки (<0,5 нА). Дальнейшее усовершенствование NVCT на основе графена путем оптимизации структуры может проложить путь к высокоскоростным, высоконадежным и недорогим приложениям для современной вакуумной наноэлектроники.

Сокращения

CVD:

Химическое осаждение из паровой фазы

EBL:

Электронно-лучевая литография

FET:

Полевой транзистор

FIB:

Сфокусированный ионный пучок

IC:

Интегральная схема

NVCT:

Транзистор с наноразмерным вакуумным каналом

PECVD:

Химическое осаждение из паровой фазы с применением плазмы

PMMA:

Полиметилметакрилат

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп