Transistor de canal de vácuo em nanoescala à base de grafeno

Resumo

Nós relatamos a fabricação e o desempenho elétrico do transistor de canal de vácuo em nanoescala (NVCT) baseado em grafeno. O nanocanal a vácuo de noventa nanômetros de largura poderia ser fabricado com precisão com o processo de litografia de feixe de elétrons padrão. A otimização e o tratamento de danos superficiais e resíduos de adesivo no grafeno são realizados por limpeza ultrassônica e recozimento térmico. Além disso, as características elétricas in situ são realizadas diretamente dentro de uma câmara de vácuo do microscópio eletrônico de varredura (MEV) com o nanomanipulador. Modulando a tensão da porta, o NVCT pode ser mudado do estado desligado para o estado ligado, exibindo uma relação de corrente liga / desliga de até 10 ² com baixas tensões de trabalho (<20 V) e corrente de fuga (<0,5 nA). Além disso, o canal de vácuo em nanoescala pode permitir reduzir o tamanho dos dispositivos de vácuo com alta integração, tornando o NVCT um candidato promissor para aplicações de alta velocidade.

Histórico

Como a tecnologia tradicional baseada em Si gradualmente atinge a limitação de minimizar, muitos esforços têm sido feitos nas novas nanoestruturas ou materiais de baixa dimensão [1,2,3,4,5,6,7]. Entre essas questões proeminentes, os transistores compostos de canais de vácuo em nanoescala ou conhecidos como nanogap têm atraído constantemente as atenções [8,9,10]. Diferentes dos primeiros tubos de vácuo com alto consumo de energia e dificuldade de alta integração, as estruturas nanogap são mais prospectivas para a nanoeletrônica moderna. Para transistores de efeito de campo convencionais (FETs), os portadores podem colidir com os fônons ópticos e acústicos durante o transporte. Além disso, os FETs baseados em grafeno intrínseco foram encontrados para ter uma relação de corrente liga-desliga inferior a 10 devido à falta de um bandgap, o que não é adequado para circuitos lógicos integrados modernos. Intrinsecamente, os elétrons podem viajar balisticamente através do canal de vácuo em nanoescala enquanto sofrem colisão ou dispersão nos semicondutores. E os nanodispositivos a vácuo podem ser compatíveis com o processo de silício padrão e combinar as vantagens do transporte balístico com a miniaturização e integração. Assim, os transistores de canal de vácuo em nanoescala (NVCTs) podem produzir alta frequência [9, 11], relação liga / desliga [12] ou resposta temporal rápida [13] com baixa tensão de trabalho. Mais importante, o NVCT provou reter as vantagens dos tubos de vácuo tradicionais que operam normalmente em condições extremas, como exposição a radiação ionizante ou alta temperatura [8]. O desenvolvimento da tecnologia de fabricação pode abrir enormes oportunidades para a criação de canais de vácuo em nanoescala, que podem ser compatíveis com circuitos integrados (IC) modernos.

Como resultado, muitas tentativas foram feitas para reduzir a escala do canal de vácuo em nanogap e construir três junções terminais. Por exemplo, a estrutura vertical foi amplamente utilizada nos dispositivos eletrônicos de vácuo tradicionais [14, 15]. Os pesquisadores propuseram diferentes tipos de NVCTs verticais, onde os elétrons poderiam emitir diretamente do plano, por exemplo, o transistor de vácuo do tipo fenda [16], ou o NVCT do tipo Spindt [17]. No entanto, a estrutura vertical dificilmente poderia ser compatível com o processo CMOS. Comparado com a estrutura up-down, o NVCT planar é mais prospectivo para integração futura, pois o nanogap é variável com o layout da máscara, incluindo litografia de feixe de elétrons (EBL) [18], feixe de íons focado (FIB) [19], ou nanoimpressão [20] ] Recentemente, transistores de vácuo do tipo planar com canal nanogap foram fabricados com processamento de semicondutor tradicional. Meyyappan et al. demonstraram um transistor de nano-canal a vácuo de back-gate com processamento de semicondutor de silício padrão, mostrando características de comutação de alta frequência com corrente de fuga insignificante [9]. A fim de aumentar a controlabilidade do gate, eles fabricaram ainda um NVCT surround-gate que consiste em um canal de vácuo sub-50 nm, e o dispositivo foi comprovado para resistir à radiação ionizante (próton e raios gama) e alta temperatura (200 ° C) [8]. Wei et al. fabricou com sucesso um transistor de vácuo baseado em grafeno com melhor desempenho elétrico do que aqueles transistores de estado sólido baseados em grafeno. Com relação de corrente liga / desliga superior e baixas tensões de trabalho, espera-se que o NVCT de grafeno seja aplicado em ambientes severos, como radiação eletromagnética ou temperatura extrema [12]. Nosso trabalho anterior também fabricou precisamente matrizes nanogap alinhadas com sub-30 nm com um processo bem controlado [21]. Os resultados experimentais acima indicam que os nanodispositivos de vácuo, compostos do canal de vácuo em nanoescala, têm as vantagens de alta velocidade de resposta, baixa tensão de operação e desempenho de comutação superior e, mais importante, podem ser compatíveis com o processo de silício padrão e combinar o vantagens do transporte balístico com miniaturização e integração. Em particular, o nanocanal que é menor do que o caminho livre médio do elétron pode se comportar como vácuo sem espalhamento ou colisão. Assim, o NVCT pode funcionar em ambiente de baixo vácuo ou mesmo em atmosfera, abrindo caminho para uma nova geração de dispositivos eletrônicos a vácuo de alto desempenho, alta velocidade e baixo custo.

Aqui, relatamos a fabricação de um NVCT baseado em grafeno usando o método de transferência úmida otimizado e processamento EBL padrão. O nanocanal de vácuo de 90 nm foi obtido com uma estrutura de porta traseira, que poderia modular o campo elétrico da área de emissão e a transmissão de elétrons do emissor para o coletor. As características elétricas in situ são realizadas na câmara de vácuo do microscópio eletrônico de varredura (SEM) com um nanomanipulador, mostrando a funcionalidade básica com alta relação de corrente liga / desliga, baixa tensão de trabalho e corrente de fuga. É importante ressaltar que acreditamos que a redução adicional do tamanho do canal poderia atender a aplicações de alta velocidade, alta confiabilidade e baixo custo para eletrônicos modernos.

Métodos

Transferência úmida

Neste relatório, o grafeno em grande escala foi cultivado diretamente na folha de Cu por deposição de vapor químico térmico (CVD) a 1020 ° C com CH ₄ (20 sccm) e H ₂ (40 sccm) [22]. Entre as várias técnicas de transferência para grafeno cultivado com CVD, o método principal é a transferência química usando PMMA como camada de suporte. Em primeiro lugar, uma camada de PMMA foi revestida por rotação no filme de grafeno / Cu e cozida a 100 ° C por 5 min para solidificar o PMMA. Depois de gravar no FeCl ₃ :HCl:H ₂ Solução O (razão de massa molar de 1:1:1) por 90 min, o restante do filme de PMMA / grafeno foi transferido e embebido em água desionizada por 5 min. Esta operação de limpeza foi repetida quatro ou cinco vezes para remover completamente o resíduo da solução de corrosão. Em seguida, o filme de PMMA / grafeno foi transferido para o SiO ₂ / Si substratos e secos a 100 ° C por 5 min, removendo a água residual entre a membrana e o substrato. Por fim, a amostra foi embebida em solução de acetona por uma hora para remoção da camada de suporte de PMMA.

No entanto, observamos que o processo tradicional de transferência úmida pode levar a rachaduras ou rugas na superfície do grafeno com resíduos maciços de PMMA, o que pode influenciar muito o desempenho elétrico posteriormente. Como resultado, utilizamos posteriormente o ultrassom [23] para limpar o SiO ₂ / Si substratos com um processo de pós-recozimento baseado no método tradicional de transferência úmida, conforme mostrado na Fig. 1. Combinando com o tratamento ultrassônico de 1 h (potência de 100 W e frequência de 50 Hz), tanto a hidrofilicidade quanto a planicidade do substrato foram realçados, de modo que uma membrana de grafeno de 2 cm x 2 cm pode ser continuamente transferida para o substrato (Fig. 2a). Além disso, introduzimos um processo de recozimento pós-térmico [24, 25] para remover efetivamente o resíduo de PMMA, com um fluxo de mistura de Ar ₂ (100 sccm) e H ₂ (40 sccm) a 300 ° C durante 3 h. Os detalhes e a discussão do processo de otimização são mostrados no arquivo adicional 1.

Processos de transferência química de grafeno sem recozimento em atmosfera redutora. As inserções são as fotografias ópticas de grafeno transferidas em SiO ₂ / Si substrato com (direita) ou sem (esquerda) recozimento, respectivamente

Fotografia óptica de um ² de 2 × 2 cm grafeno em SiO ₂ Substrato / Si ( a ) Imagem SEM do grafeno transferido ( b ) Espectro Raman típico mostrando as características básicas do grafeno ( c )

A Figura 2a mostra claramente a fotografia óptica do filme de grafeno de 2 cm × 2 cm produzido em SiO ₂ / Si substrato, indicando a excelente transparência do grafeno. O grafeno / SiO ₂ foi caracterizado por microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo (Quanta 200 FEI), como é mostrado na Fig. 2b. A imagem SEM demonstra que o grafeno foi contínuo e uniformemente transferido para o substrato com poucas rachaduras ou rugas. Além disso, a espectroscopia Raman (excitação de laser 514 nm) é comumente usada para avaliar a qualidade do grafeno transferido. A Figura 2c mostra o espectro Raman típico do grafeno em SiO ₂ Substrato / Si. Com pico D não visível localizado a 1349 cm ⁻¹ , os picos G e 2D podem ser claramente observados em 1587 e 2685 cm ⁻¹ com uma razão 2D / G de 2,19. A baixa intensidade do pico D demonstra que poucos defeitos adicionais foram gerados durante o processo de transferência. O pico 2D é estreito com relação I _G / I _2D abaixo de 0,5, o que indica as características básicas do grafeno de camada única. Os resultados do espectro Raman mostram alta qualidade e continuidade do grafeno com nosso método de transferência química otimizado.

Fabricação de transistor de canal de vácuo em nanoescala baseado em grafeno

A Figura 3 ilustra o processo de fabricação de um transistor de canal de vácuo em nanoescala à base de grafeno. Em primeiro lugar, o SiO ₂ de 100 nm isolador foi depositado pelo método PECVD (plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), com grafeno químico transferido para o substrato subsequentemente. Os contatos de ouro foram depositados no grafeno por evaporação de feixe de elétrons (5 nm Cr e 80 nm Au) com um processo de decolagem subsequente. Depois de PMMA spin-revestido na superfície de grafeno, o canal de nano-vácuo foi formado por EBL padrão (Vistec, EBPG 5000plus ES) com um seguido de O ₂ -condicionamento por plasma. Os nanogaps foram posicionados para cortar a membrana de grafeno em duas metades. As amostras foram limpas com acetona, álcool isopropílico e água desionizada, respectivamente. Por fim, as amostras foram processadas por 1 h de recozimento a 300 ° C com fluxo de hidrogênio (40 sccm) e argônio (100 sccm). A Figura 4a mostra a imagem SEM de NVCT à base de grafeno, com contatos Au em ambos os lados do emissor e coletor de grafeno. E a Fig. 4b demonstra um zoom-in do NVCT, mostrando um canal de vácuo de largura de aproximadamente 90 nm que permite aos elétrons o transporte balístico através do nanogap.

Diagrama esquemático do processo de fabricação do transistor de canal de vácuo em nanoescala à base de grafeno

Imagem SEM de NVCT à base de grafeno com contatos Au ( a ) Um zoom-in do canal de vácuo de ~ 90 nm ( b )

Resultados e discussão

Para estudar o mecanismo de transporte de elétrons através do nano-canal de vácuo, as medições de emissão de campo in-situ são realizadas com um nanomanipulador na câmara de vácuo do MEV (pressão de base de ~ 10 ⁻⁴ Pa), como mostrado na Fig. 5a. O sistema nanomanipulador foi desenvolvido para a observação e medição em tempo real da emissão de campo em ambiente de vácuo, que pode ser considerada como a estação de sondagem dentro da câmara do MEV e possibilitar a localização ou teste das amostras. Além disso, o método de teste in situ pode refletir as propriedades elétricas do NVCT à base de grafeno de forma mais objetiva e servir melhor ao projeto da estrutura do nanogap. O nanomanipulador é equipado com micropontas de tungstênio em forma de cilindro e conectado à unidade de medida de fonte digital Keithely 2400. Para evitar a quebra do vácuo e danos ao grafeno, um limite de corrente de 10 μA foi imposto durante o processo de teste. Uma polarização foi aplicada entre os filmes de grafeno separados e aumentada manualmente em uma etapa de voltagem de 0,1 V, que os elétrons são emitidos lateralmente a partir das bordas de grafeno.

Medição de emissão de campo in-situ do transistor de nanocanal a vácuo à base de grafeno ( a ) Diagrama de banda de NVCT baseado em grafeno em V _g < V _limite e V _g> V _limite ( b , c )

A Figura 5b, c mostra o diagrama de banda de NVCT baseado em grafeno nos estados ligado e desligado, respectivamente. Geralmente, a tensão de porta aplicada na porta traseira pode modular a barreira de vácuo entre o emissor e o coletor. Quando a tensão da porta é menor que a tensão limite, a barreira é muito ampla para o tunelamento de campo para elétrons de baixa energia. Além disso, os elétrons podem receber espalhamento pelas impurezas no SiO ₂ superfície e preso às desvantagens do emissor. À medida que a tensão da porta aumenta além da tensão limite, a largura da barreira é comprimida de acordo. Os elétrons poderiam superar a barreira estreita por meio do tunelamento F-N, levando ao estado ligado do NVCT. Além disso, a sintonia da banda de energia do grafeno pela tensão da porta pode ser outra contribuição, uma vez que a condutividade elétrica do grafeno de camada única pode ser modulada pela tensão da porta. Conforme a tensão do portão aumenta, o nível de Fermi E _F mudar para a banda de condução, assim, aumentar a densidade de elétrons da superfície de grafeno e melhorar a corrente de emissão.

Para explorar ainda mais as propriedades elétricas e estender as aplicações de NVCT à base de grafeno, a saída (V _c vs. I _c ) e transferência (V _g vs. I _c ) características são investigadas, como é mostrado nas Fig. 6a, b, respectivamente. Semelhante aos transistores de efeito de campo baseados em grafeno (FETs) típicos, o NVCT baseado em grafeno pode ser modulado no estado desligado ou ligado pela tensão do gate. A Figura 6a ilustra a característica típica de saída com tensão de porta V _g aumentando de 0 a 15 V. Nota-se que nenhuma emissão de elétrons óbvia I _c foram medidos quando V _g é menor que a tensão limite, indicando que o NVCT está no estado desligado. Como o V _g aumenta e excede a tensão limite, o NVCT muda para o estado ligado que I _c exibem um crescimento exponencial com a tensão do coletor V _c . A característica de transferência com V _c =7,5 V é mostrado na Fig. 6b em escala linear (linha vermelha) e exponencial (linha preta), respectivamente. Podemos ver que a tensão limite é de cerca de 6 V com uma tensão de coletor fixa de 7,5 V, e I _c cresce rapidamente quando V _g é maior do que a tensão limite. Além disso, as curvas traçadas em escala exponencial (linha preta) exibem uma relação liga / desliga superior a 10 ² , que é superior aos FETs de grafeno intrínsecos devido à falta de bandgap. Wei et al. supõe que as propriedades de emissão de elétrons estão relacionadas à topografia de superfície do grafeno ou à distância do emissor ao coletor [12]. Assim, o estreitamento adicional da largura do nanogap ou a modificação da estrutura pode permitir aumentar a razão de corrente liga / desliga e a emissão de elétrons.

As características de saída com V _g de 0 a 15 V ( a ) As características de transferência mostram uma relação liga / desliga superior a 10 ² ( b ) Corrente de fuga de NVCT à base de grafeno ( c ) Teste de estabilidade em diferentes graus de vácuo ( d ) A inserção mostra as mudanças na geometria da superfície após o teste estável

Para descartar a possibilidade de emissão de elétrons pelo isolador, também detectamos a corrente de fuga durante a medição. Corrente de fuga baixa e desprezível (menos de 0,5 nA) é observada, devido ao SiO de 100 nm de espessura ₂ isolador. Com uma estrutura de porta traseira, no entanto, o isolador desempenha um papel crucial no dispositivo. Um isolador fino pode aumentar a capacidade de modulação do back-gate, enquanto o isolador deve ser forte o suficiente para evitar quebras. Como resultado, otimizar o material isolante para diminuir a espessura e melhorar a resistência à ruptura, por exemplo, utilizando Al ₂ O ₃ ou HfO ₂ como o isolador de porta high-k [26,27,28,29,30,31], poderia de fato melhorar o desempenho elétrico do NVCT. Além disso, o teste de estabilidade do NVCT em diferentes graus de vácuo é mostrado na Fig. 6d com um coletor fixo e tensão de porta configurados em 7,5 V e 15 V, respectivamente. Com a alta condutividade térmica do grafeno, a diminuição da corrente de emissão induzida pelo aquecimento Joule é enfraquecida, não mostrando degradação e flutuação óbvia a um grau de vácuo de ~ 10 ⁻⁴ Pa. No entanto, uma redução lenta da corrente é observada em baixo vácuo (~ 10 ⁻¹ Pa). A inserção exibe claramente a fratura e rachaduras na superfície de grafeno após o teste de estabilidade. Supõe-se que o calor Joule agrega no emissor de grafeno e danifica a morfologia da superfície, levando à degradação da corrente de emissão em baixo vácuo [32, 33]. Esperamos que isso possa ser resolvido no futuro trabalho, de forma que amplie o escopo de aplicação e a ocasião do NVCT baseado em grafeno.

Para comparar os desempenhos de transistores de canal de vácuo em nanoescala com base em diferentes tipos ou materiais, a largura do canal, tensão operacional, corrente de trabalho, relação liga / desliga, corrente de porta e teste de estabilidade estão listados na Tabela 1. Obviamente, o vácuo baseado em Si transistores de canal (back-gate e gate-all-around) ilustram melhor desempenho do que os dispositivos baseados em grafeno. Comparando a corrente de porta, pode-se ver que o consumo de energia de nosso NVCT baseado em grafeno é superior aos outros dispositivos. Enquanto isso, o canal de vácuo de 90 nm de largura pode permitir reduzir o tamanho dos dispositivos de vácuo e cumprir NVCT no chip com múltiplas funcionalidades. No entanto, os desempenhos da relação liga / desliga ou corrente de trabalho do nosso dispositivo estão muito aquém de outras estruturas e ainda precisam de mais melhorias na otimização do processo de fabricação e parâmetros da estrutura. Esperamos que possa ser apresentado em uma publicação futura.

Conclusão

Em conclusão, um NVCT baseado em grafeno foi fabricado com sucesso com o processo CMOS padrão. Utilizamos o ultrassom para limpar o SiO ₂ / Si substratos com um processo de pós-recozimento com base no método tradicional de transferência úmida em que uma membrana de grafeno de 2 cm x 2 cm pode ser continuamente transferida para o substrato. As propriedades elétricas do NVCT foram investigadas. Modulando a tensão da porta, o NVCT pode ser comutado do estado desligado para o estado ligado, exibindo uma relação de corrente liga / desliga de até 10 ² com baixas tensões de trabalho (<20 V) e corrente de fuga (<0,5 nA). Melhoria adicional do NVCT baseado em grafeno por otimização de estrutura pode abrir caminho para aplicações de alta velocidade, alta confiabilidade e baixo custo para nanoeletrônica a vácuo moderna.

Abreviações

CVD:: Deposição de vapor químico
EBL:: Litografia de feixe de elétrons
FET:: Transistor de efeito de campo
FIB:: Feixe de íons focado
IC:: Circuito integrado
NVCT:: Transistor de canal de vácuo em nanoescala
PECVD:: Deposição de vapor químico intensificada por plasma
PMMA:: Metacrilato de polimetila
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura

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