Наномасштабный вакуумный транзистор на основе графена: фabricация, характеристики и перспективы

Аннотация

Представлена успешная фabricация и комплексная электрическая оценка графенового наномасштабного вакуумного транзистора (NVCT). Используя стандартную электронно-лучевую литографию, точно определили 90-нм вакуумный нанозазор, а ультразвуковая очистка и термическое отжиг эффективно устранили поверхностные повреждения и остатки адгезии на графене. In-situ измерения внутри вакуумной камеры SEM демонстрируют, что NVCT можно надежно переключать из выключенного в включенное состояние модуляцией напряжения на затворе. Устройство достигает отношения вкл/выкл тока до 10² при рабочих напряжениях ниже 20 В и токах утечки под 0,5 нА. Результаты иллюстрируют потенциал NVCT для высокоскоростных, низкоэнергопотребляющих наноэлектронных приложений.

Введение

Поскольку кремниевая технология приближается к физическим пределам, исследователи все чаще обращаются к низкоразмерным материалам и новым наноструктурам для поддержания темпа закона Мура. Среди них наномасштабные вакуумные транзисторы (NVCT) выступили убедительной альтернативой обычным полевым транзисторам (FET). В отличие от твердотельных устройств, электроны могут баллистически проходить вакуумный нанозазор, избегая фононного рассеяния и тем самым обеспечивая более высокие скорости носителей и более быстрые скорости переключения.

Хотя ранние вакуумные лампы страдали от высокого потребления энергии и плохой масштабируемости, современные проекты NVCT — особенно планарные структуры, фabрикованные электронно-лучевой литографией, фокусированным ионным пучком или наноимпринтингом — предлагают путь к CMOS-совместимости. Предыдущие работы демонстрировали задне затворные NVCT с каналами ниже 50 нм, сохраняющие высокочастотную производительность даже под ионизирующим излучением и при высоких температурах. Графен с его исключительной электрической проводимостью и механической прочностью еще больше улучшает перспективы NVCT, предоставляя бездефектный одноатомный канал, способный выдерживать высокие плотности тока.

В этом исследовании мы используем уточненный протокол мокрого переноса и стандартные литографические техники для реализации графенового NVCT с 90-нм вакуумным каналом. Оцениваем его электрические характеристики, включая выходные и передаточные характеристики, поведение утечки и операционную стабильность при различных вакуумных условиях, устанавливая эталон для будущей оптимизации устройств.

Методы

Мокрый перенос графена

Большой участок графена вырастили на медной фольге термическим CVD при 1020 °C с метаном (20 ссм) и водородом (40 ссм). Слой полиметилметакрилата (PMMA) наносили центрифугированием на графен и выдерживали при 100 °C 5 мин для затвердения пленки. Медную подложку травляли в растворе FeCl₃:HCl:H₂O = 1:1:1 в течение 90 мин. Стек PMMA/графен переносили в деионизированную воду и многократно промывали для удаления остатков травлянта.

Для устранения морщин и трещин пленку графен/PMMA клали на 2×2 см подложку SiO₂/Si и подвергали 1-часовой ультразвуковой ванне (100 Вт, 50 Гц). Этот шаг улучшает гидрофильность и ровность подложки, обеспечивая непрерывный перенос графеновой мембраны. Наконец, образец помещали в ацетон на 1 ч для удаления опорного слоя PMMA. После переноса графен/SiO₂/Si вефер отжигали в восстановительной атмосфере (Ar/H₂ = 100/40 ссм) при 300 °C 3 ч для устранения остаточных органических загрязнений.

Рамановская спектроскопия (возбуждение 514 нм) подтвердила высокое качество перенесенного графена: пренебрежимый D-пик при 1349 см⁻¹, G и 2D пики при 1587 и 2685 см⁻¹, отношение интенсивностей 2D/G = 2,19, указывающее на однослойный графен.

Фабрикация графенового NVCT

После осаждения 100-нм SiO₂ плазменным CVD (PECVD) графен переносили на вефер. Золотые контакты (5 нм Cr / 80 нм Au) определяли электронно-лучевым испарением с последующим lift-off. 90-нм вакуумный канал вырезали электронно-лучевой литографией (Vistec, EBPG 5000plus ES) и кислородной плазменной травилью, которая режет графеновый лист на две половины. Последующая очистка ацетоном, изопропиловым спиртом и деионизированной водой удаляла остатки резиста. Финальный отжиг (300 °C, 1 ч, H₂/Ar = 40/100 ссм) повышал надежность устройства.

Результаты и обсуждение

Электронный транспорт исследовали in-situ полевыми эмиссионными измерениями внутри вакуумной камеры SEM (~10⁻⁴ Па). Вольфрамовый микрокончик, подключенный к Keithley 2400, подавал развертку напряжения (шаг 0,1 В) между разделенными половинами графена при лимите тока 10 мкА для предотвращения повреждения. Измерения подтверждают, что электроны эмитируются латерально от краев графена и преодолевают 90-нм вакуумный зазор.

Зонные диаграммы иллюстрируют, как напряжение на заднем затворе модулирует вакуумный барьер. Ниже порогового напряжения барьер слишком широк для туннельного прохода, и электроны захватываются поверхностными примесями. Выше порога барьер сужается, позволяя Фоулеру-Нордхайму туннелированию и переводя устройство в включенное состояние. Затвор также смещает ферми-уровень графена, увеличивая поверхностную плотность электронов и дополнительно усиливая эмиссию.

Выходные (Vc vs Ic) и передаточные (Vg vs Ic) характеристики раскрывают классическое FET-поведение. При Vg от 0 до 15 В коллекторный ток остается пренебрежимо малым до порога ~6 В; затем он экспоненциально растет с Vc. Отношение вкл/выкл превышает 10², превосходя intrinsические графеновые FET, лишенные запрещенной зоны. Токи утечки были ниже 0,5 нА благодаря 100-нм SiO₂ изолятору. Тесты стабильности при ~10⁻⁴ Па не показывали деградации при длительной работе, тогда как при 10⁻¹ Па наблюдали умеренное падение тока, вероятно, из-за Джоулевского нагрева поверхности.

Таблица 1 сравнивает наш графеновый NVCT с другими наномасштабными вакуумными транзисторами. Хотя кремниевые устройства показывают более высокие отношения вкл/выкл и токи, графеновый NVCT предлагает заметно меньшие затворные токи и невероятно тонкий, масштабируемый канал — преимущества, которые можно усилить дальнейшей структурной оптимизацией.

Заключение

Мы продемонстрировали графеновый NVCT, фabрикованный полностью CMOS-совместимыми процессами. Устройство имеет 90-нм вакуумный канал, отношение вкл/выкл выше 10², рабочие напряжения ниже 20 В и токи утечки под 0,5 нА. Эти метрики подтверждают реализуемость графеновых NVCT для высокоскоростных, низкоэнергопотребляющих наноэлектроники. Будущая работа будет фокусироваться на уменьшении ширины канала, исследовании высокок диэлектриков затвора и улучшении долгосрочной надежности для полного раскрытия потенциала вакуумно-канальной технологии.

Аббревиатуры

CVD

Химическое осаждение из паровой фазы

EBL

Электронно-лучевая литография

FET

Полевой транзистор

FIB

Фокусированный ионный пучок

IC

Интегральная схема

NVCT

Наномасштабный вакуумно-канальный транзистор

PECVD

Плазменно-усиленное CVD

PMMA

Полиметилметакрилат

SEM

Развеивающая электронная микроскопия