Un método estándar y fiable para la fabricación nanoelectrónica bidimensional

Dos dimensiones materiales (2D) han atraído gran atención debido a sus propiedades y posibles aplicaciones. Desde oblea escala síntesis de materiales 2D todavía está en etapas incipientes, científicos no pueden depender totalmente técnicas semiconductores tradicionales para investigaciones relacionadas. Delicados procesos de localización de los materiales a la definición de electrodo deben ser bien controladas. En este artículo, un protocolo universal de fabricación requeridos en la fabricación de electrónica a nanoescala, como 2D cuasi-heterojunction bipolar transistores (Q-HBT) y transistores de back Country 2D están demostradas. Este protocolo incluye la determinación de la posición material, litografía por haz de electrones (EBL), definición de electrodo metal, et al. También se presentan un relato paso a paso los procedimientos de fabricación de estos dispositivos. Además, los resultados muestran que cada uno de los dispositivos fabricados ha logrado alto rendimiento con alta repetibilidad. Este trabajo revela una descripción completa del flujo de proceso para la preparación de nanoelectrónica 2D, permite a los grupos de investigación acceder a esta información y allanar el camino hacia la electrónica futuro.

Introducción

Desde pasadas décadas, la humanidad ha experimentado rápido convertir el tamaño de los transistores y, en consecuencia, un aumento exponencial en el número de transistores en circuitos integrados (ICs). Esto mantiene el progreso continuo de tecnología de silicio semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS)¹. Además, esta tendencia actual en el tamaño y el funcionamiento de los dispositivos fabricados están todavía en pista con la ley de Moore, que afirma que el número de transistores en chips electrónicos, así como su rendimiento duplica aproximadamente cada dos años². Los transistores CMOS están presentes en la mayoría, si no todos, de los dispositivos electrónicos disponibles en el mercado y por lo que es una parte integral de la vida humana. Debido a esto, hay continuas demandas para mejoras en rendimiento y tamaño de la viruta que han estado presionando a los fabricantes a seguir la pista de ley de Moore.

Desafortunadamente, la ley de Moore parece estar llegando a su fin debido a la cantidad de calor generado como más circuitería de silicio se exprime en una pequeña área². Esto requiere nuevos tipos de materiales que pueden proporcionar el mismo, si no mejor, actuación como silicio y, al mismo tiempo, se puede implementar en una escala relativamente menor. Recientemente, nuevos materiales promisorios han sido objeto de muchas investigaciones de la ciencia de los materiales. Materiales tales como unidimensional (1D) carbono nanotubos³^,⁴^,⁵^,⁶^,⁷, grafeno 2D⁸^,⁹^,¹⁰^, ¹¹ ^, ¹²y metal de la transición dichalcogenides (TMDs)¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,la¹⁸, son buenos candidatos que pueden ser utilizados como sustituir la CMOS basados en silicio y continuar pista de ley de Moore.

Fabricación de dispositivos de pequeña escala requiere cuidadosa determinación de la ubicación del material para proceder con éxito a las otras técnicas de fabricación tales como la definición de electrodo de metal y litografía. Por lo tanto, el método presentado en este trabajo fue diseñado para responder a esta necesidad. Comparado con la fabricación de semiconductores tradicionales técnicas¹⁹, el enfoque presentado en este trabajo es adaptar-cabido para el desarrollo de pequeños dispositivos que necesita más atención en términos de encontrar la ubicación del material. El objetivo de este método es fiable fabricar nanomateriales 2D dispositivos, tales como transistores de back Country 2D y Q-HBTs, utilizando procesos de fabricación estándar. Esto puede servir como una plataforma para desarrollos futuros nanodispositivo que allana el camino hacia la producción de nano-escala avanzada futuros dispositivos.

En la sección de procedimiento, el proceso de fabricación de dispositivos 2D materiales, a saber, el Q-HBT y 2D transistor bloqueado detrás se discute en detalle. Electrón viga patrón combinado con determinación de ubicación material y electrodos metálicos definición comprende el protocolo ya que están obligados en los dos procesos mencionados. Parte 1 discute el proceso de fabricación paso a paso de HBTs Q²⁰; y parte 2 muestra un enfoque universal para obtener disulfuro de molibdeno (ECV) la deposición de vapor químico (MoS₂) transistores cerrada detrás de la transferencia a despegue²¹, que se ha demostrado completamente en el artículo. Se muestra el flujo de proceso detallado (figura 1).

Protocolo

1. proceso de fabricación de transistores cuasi heterojunction 2D

Preparar el zafiro c-avión comercial.
1. Lave el zafiro pulido todo solo-lado (2 pulgadas) con acetona.
2. Enjuagar el sustrato de zafiro con alcohol isopropílico.
Crecer MoS₂ sobre sustrato de zafiro con ECV en un horno de pared caliente.
1. 0,6 g de molibdeno trióxido (MoO₃) polvo en un barco de cuarzo está localizado en la calefacción centro de la zona del horno. Ponga el sustrato de zafiro abajo junto al barco de cuarzo que contiene el polvo de MoO₃ .
2. Preparar el polvo de azufre (S) en un barco de cuarzo separado en el lado aguas arriba del horno. Mantener la temperatura a 190 ° C durante la reacción.
3. Utilizar argón (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flujo para traer los vapores₃ S y MoO en el substrato de zafiro mientras que calefacción en la zona centro a 750 ° C.
4. Mantener la zona de cocción, después de alcanzar la temperatura deseada del crecimiento de 750 ° C, durante 15 minutos y luego enfriar el horno a temperatura natural.
Realizar EBL.
Nota: Un Au fino de aproximadamente 5 nm fue depositada por sputtering para descarga durante todos los procesos de EBL sobre sustrato de zafiro
1. Identificar, mediante un microscopio óptico, una zona donde se observan escamas de monocapa de₂ MoS, luego diseñar el diseño de patrón de la raya para área específica usando un software de diseño (AutoCAD).
2. Spin-escudo fotoprotector (PR), por ejemplo polimetacrilato (PMMA) o P015, encima de la muestra a 2000 rpm por 60 s (temperatura ambiente). Asegúrese de que el PR ha cubierto toda la muestra después de la capa de la vuelta.
3. Calentar la muestra (Cueza al horno suave) a 100 ° C por 90 s para evaporar los solventes en el PR y mejorar la adhesión.
4. El diseño de patrón de paso 1.3.1 a convertir un archivo específico (ejemplo: archivo GDS) y subir en el software EBL.
5. Determinar la dosis ideal de haz electrónico basado en la anchura de las líneas en el diseño.
  Nota: Para ancho de línea menor de 1 μm, la dosis ideal de haz de electrones es 110 μC/cm²; de 1 a 5 μm ancho de línea, la dosis es de 100 μC/cm²; y para más de 5 μm de grosor de línea, la dosis es 80 μC/cm².
6. Empezar a exponer la muestra al haz de electrones.
7. Aplicar post-exposición cueza al horno (PEB) en la muestra después de la exposición con el fin de reducir los efectos de la onda. Calentar la muestra a 120 ° C por 90 s.
8. Uso de Tetrametilamonio hidróxido (TMAH) 2.38% como desarrollador. Sumerja la muestra de TMAH de 80 s. lavado hacia fuera la TMAH con 200 mL de agua desionizada durante 10 s.
9. Examinar si el patrón está bien desarrollado por microscopía óptica.
10. Llevar a cabo cuece al horno duro deshacerse de agua extra en PR. calor la muestra a 110 ° C por 90 s.
Definir las estructuras de la raya usando 50 grabado de plasma de oxígeno (O₂) W (1^st aguafuerte) durante 30 s a 2 min y quitar PR con 50 mL de acetona.
Crecer el diselenide de tungsteno (WSe₂) mediante CVD en la ubicación de destino, que se traducirá en un crecimiento preferido de WSe₂ capa entre las franjas de₂ MoS ya existentes en el substrato del zafiro.
1. 0.6 g de polvo de tungsteno trióxido (WO₃) en un barco de cuarzo está localizado en la calefacción centro de la zona del horno. Ponga el sustrato de zafiro abajo junto al barco de cuarzo que contiene el polvo de₃ WO.
2. Preparar el polvo de selenio (Se) en un barco de cuarzo separado en el lado aguas arriba del horno. Mantener la temperatura a 260 º C durante la reacción.
3. El uso de Ar/H₂ (Ar = 90 sccm, H₂ = 6 sccm, 20 Torr) gas flujo para traer los vapores₃ Se y ay en el substrato de zafiro mientras que calefacción en la zona centro a 925 ° C.
4. Mantener la zona de cocción, después de alcanzar la temperatura deseada del crecimiento de 925 ° C, durante 15 minutos y luego enfriar el horno a temperatura natural.
Fabricar los arreglos de discos de metal pad y marcas de alineación.
1. Superposición de los patrones de arreglos de discos de metal pad y alineación de las marcas utilizando Fotolitografía patrones técnica.
2. Depósito 20 nm/60 nm Ti/Au con la evaporador arma de electrón.
  Nota: El oro se utiliza para evitar la oxidación de los electrodos de metal.
3. Preparar y sumerja la muestra a 100 mL de acetona para disolver PR y realizar el despegue. Agitar y explotar la acetona mientras monitorea todo el proceso a través de microscopía óptica hasta que las almohadillas de metal llegan a ser evidentes.
Realizar otro proceso de leucosis enzoótica bovina para la superposición de un patrón de forma de cinta en la parte superior el MoS₂- WSe₂ heterounión.
1. Medir el desplazamiento de coordenadas entre los lugares de destino en el MoS₂- WSe₂ heterounión y las marcas de alineación mediante microscopía óptica y diseñar el esquema de forma de cinta según estas mediciones mediante un software (AutoCAD).
2. Spin-escudo de PR, por ejemplo PMMA o P015, encima de la muestra a 2000 rpm por 60 s (temperatura ambiente). Asegúrese de que el PR ha cubierto toda la muestra después de la capa de la vuelta.
3. Calentar la muestra (Cueza al horno suave) a 100 ° C por 90 s para evaporar los solventes en el PR y mejorar la adhesión.
4. El diseño de patrón de paso 1.7.1 a convertir un archivo específico (ejemplo: archivo GDS) y subir en el software EBL.
5. Determinar la dosis ideal de haz electrónico basado en la anchura de las líneas en el diseño.
  Nota: Para ancho de línea menor de 1 μm, la dosis ideal de haz de electrones es 110 μC/cm²; de 1 a 5 μm ancho de línea, la dosis es de 100 μC/cm²; y para más de 5 μm de grosor de línea, la dosis es 80 μC/cm².
6. Configurar la máquina EBL tales que la posición de las marcas de alineación en el sustrato de zafiro coincide con su correspondencia en la disposición.
7. Empezar a exponer la muestra al haz de electrones.
8. Aplicar PEB en la muestra después de la exposición con el fin de reducir los efectos de la onda. Calentar la muestra a 120 ° C por 90 s.
9. Uso de TMAH 2.38% como desarrollador. Sumerja la muestra de TMAH de 80 s. lavado hacia fuera la TMAH con 200 mL de agua desionizada para 10 s.
10. Examinar si el patrón está bien desarrollado por microscopía óptica.
11. Llevar a cabo cuece al horno duro deshacerse de agua extra en PR. calor la muestra a 110 ° C por 90 s.
Utilizar aguafuerte del plasma de O₂ (2^nd grabado) para definir una heterounión lateral en forma de cinta y quitar PR por la acetona.
Realizar el proceso EBL para superponer el patrón de los electrodos de Ti/Au metal.
1. Medir el desplazamiento de coordenadas entre los lugares de destino en el MoS₂- WSe₂ heterounión y las marcas de alineación mediante microscopía óptica y diseño de la disposición de electrodos metálicos basada en estas medidas mediante un software (AutoCAD).
2. Spin-escudo de PR, por ejemplo PMMA o P015, encima de la muestra a 2000 rpm por 60 s (temperatura ambiente). Asegúrese de que el PR ha cubierto toda la muestra después de la capa de la vuelta.
3. Calentar la muestra (Cueza al horno suave) a 100 ° C por 90 s para evaporar los solventes en el PR y mejorar la adhesión.
4. El diseño de patrón de paso 1.9.1 a convertir un archivo específico (ejemplo: archivo GDS) y subir en el software EBL.
5. Determinar la dosis ideal de haz electrónico basado en la anchura de las líneas de metal en el diseño.
  Nota: Para ancho de metal línea menor de 1 μm, la dosis ideal de haz de electrones es 110 μC/cm²; de 1 a 5 μm ancho de línea, la dosis es de 100 μC/cm²; y para más de 5 μm de grosor de línea, la dosis es 80 μC/cm².
6. Configurar la máquina EBL tal que las posiciones de las marcas de alineación en el sustrato de zafiro coincide con su correspondencia en la disposición.
7. Empezar a exponer la muestra al haz de electrones.
8. Aplicar PEB en la muestra después de la exposición con el fin de reducir los efectos de la onda. Calentar la muestra a 120 ° C por 90 s.
9. Uso de TMAH 2.38% como desarrollador. Sumerja la muestra de TMAH de 80 s. lavado hacia fuera la TMAH con 200 mL de agua desionizada para 10 s.
10. Examinar si el patrón está bien desarrollado por microscopía óptica.
11. Llevar a cabo cuece al horno duro deshacerse de agua extra en PR. calor la muestra a 110 ° C por 90 s.
Realizar el despegue y la deposición de Metal de Ti/Au
1. Depósito del metal del Ti/Au mediante cañón de electrones evaporador con el grosor de menos de 100 nm, de lo contrario, será difícil eliminar el PR y el metal no deseado despegue.
2. Preparar y sumerja la muestra a 100 mL de acetona para disolver PR y realizar el despegue. Agite y soplar la acetona mientras monitorea todo el proceso a través de microscopía óptica hasta que hay sólo líneas de metal y cojines a la izquierda.
Realizar el proceso EBL en paso 1.9 pero superponer el patrón del electrodo metal Pd/Au en vez de Ti/Au.
Realizar el proceso de deposición y despegue metal en paso 1.10 pero depositar Pd/Au en vez de Ti/Au.

2. proceso de fabricación de transistores de espalda cerrada 2D

Preparar el back Country Si/SiO₂ sustratos con marcas de alineación.
1. Preparación casera o comercial SiO₂/Si sustrato.
2. Utilice Fotolitografía o EBL modelar técnicas para definir la marca de alineación.
3. Realizar iones reactivos (RIE) de la aguafuerte en el SiO₂/Si sustrato hasta que la profundidad total de la zona de destino llegue a 1000 nm y retire el PR O₂ de plasma para revelar las marcas de alineación formada.
4. Superposición de los patrones de matrices de cojín del metal usando patrones técnica de fotolitografía.
5. Depósito 20 nm/60 nm Ti/Au con la evaporador arma de electrón.
  Nota: El oro se utiliza para evitar la oxidación de los electrodos de metal.
6. Preparar y sumerja la muestra a 100 mL de acetona para disolver PR y realizar el despegue. Agitar y explotar la acetona mientras monitorea todo el proceso por microscopía óptica hasta que las almohadillas de metal llegan a ser evidentes.
Realizar CVD de MoS₂sobre sustrato de zafiro en un horno de pared caliente.
1. 0,6 g de MoO₃ polvo en un barco de cuarzo está localizado en la calefacción centro de la zona del horno. Ponga el sustrato de zafiro abajo junto al barco de cuarzo que contiene el polvo de MoO₃ .
2. Preparar el polvo de S en un barco de cuarzo separado en el lado aguas arriba del horno. Mantener la temperatura a 190 ° C durante la reacción.
3. Utilizar argón (Ar = 70 sccm, 40 Torr) gas flujo para traer los vapores₃ S y MoO en el substrato de zafiro mientras que calefacción en la zona centro a 750 ° C.
4. Mantener la zona de cocción, después de alcanzar la temperatura deseada del crecimiento de 750 ° C, durante 15 minutos y luego enfriar el horno a temperatura natural.
Transferencia de MoS₂ de zafiro al back-Country SiO₂/Si sustrato.
1. Capa de vuelta PMMA con la velocidad de 3500 rpm para 30 s encima de la película del MoS₂.
2. Hornear el Verdemar de₂MoS muestra a 120 ° C por 3 min con el fin de fortalecer la capa de PMMA.
3. DIP el MoS₂muestra de Verdemar en 50 mL de solución de amoníaco (14.5%) para alrededor de 30 min a 2 h para separar la película de₂ MoS el sustrato de zafiro.
4. Coge la película y transferencia al sustrato /Si SiO₂.
5. Cueza al horno la muestra de MoS₂/SiO₂/Si para mejorar la adherencia entre el MoS₂ y SiO₂ capas. Calentar la muestra a 120 ° C unos 30 min a 1 h.
6. Retire el PMMA por lavado con 30 mL de acetona por alrededor de 30 min a 2 h.
7. Enjuague la muestra con alcohol isopropílico y para soplar seca con nitrógeno.
Realizar EBL.
Nota: No es ninguna Au fino depositado en SiO₂/Si sustrato durante proceso de leucosis enzoótica bovina ya que Si de alguna manera es conductora.
1. Medir el desplazamiento de coordenadas entre los lugares de destino y la alineación marca mediante microscopía óptica y, basado en estas mediciones, diseño el diseño del patrón de los electrodos de metal usando un software de diseño.
  Nota: Electrodos de Metal conectan los puntos de destino en la muestra de₂ MoS a las almohadillas de metal en el sustrato de /Si SiO₂.
2. Spin-escudo de PR, por ejemplo PMMA o P015, encima de la muestra a 2000 rpm por 60 s (temperatura ambiente). Asegúrese de que el PR ha cubierto toda la muestra.
3. Calentar la muestra (Cueza al horno suave) a 100 ° C por 90 s para evaporar los solventes en el PR y mejorar la adhesión.
4. El diseño de patrón de paso 2.4.1 a convertir un archivo específico (ejemplo: archivo GDS) y subir en el software EBL.
5. Determinar la dosis ideal de haz electrónico basado en la anchura de las líneas de metal en el diseño.
  Nota: Para ancho de metal línea menor de 1 μm, la dosis ideal de haz de electrones es 110 μC/cm²; de 1 a 5 μm ancho de línea, la dosis es de 100 μC/cm²; y para más de 5 μm de grosor de línea, la dosis es 80 μC/cm².
6. Configurar la máquina EBL tales que la posición de las marcas de alineación en el substrato de Si/SiO₂ coincide con su correspondencia en la disposición.
7. Empezar a exponer la muestra al haz de electrones.
8. Aplicar PEB en la muestra después de la exposición con el fin de reducir los efectos de la onda. Calentar la muestra a 120 ° C por 90 s.
9. Uso de TMAH 2.38% como desarrollador. Sumerja la muestra de TMAH de 80 s. lavado hacia fuera la TMAH con 200 mL de agua desionizada durante 10 s.
10. Examinar si el patrón está bien desarrollado por microscopía óptica.
11. Llevar a cabo cuece al horno duro deshacerse de agua extra en PR. calor la muestra a 110 ° C por 90 s.
Realizar el despegue y la deposición de Metal de Au
1. Depósito del metal Au mediante cañón de electrones evaporador con el grosor de menos de 100 nm, de lo contrario, será difícil eliminar el PR y el metal no deseado despegue.
2. Preparar y sumerja la muestra a 100 mL de acetona para disolver PR y realizar el despegue. Agite y soplar la acetona vigilando el proceso a través de microscopía óptica hasta que hay sólo líneas de metal y cojines a la izquierda.

Resultados

Los procesos de fabricación del dispositivo se han aplicado a varias de las investigaciones del autor correspondiente que involucra el desarrollo de dispositivos de material 2D. En esta parte, se presentan los resultados de algunas de estas investigaciones para demostrar la efectividad del protocolo discutido arriba. Una monocapa de WSe lateral₂-MoS₂ HBT Q²⁰ es seleccionado como el primer ejemplo. Mediante los procesos de fabricación de disp...

Discusión

En este artículo, se demuestran los procedimientos detallados de fabricación nueva electrónica basada en materiales 2D en escala nanométrica. Puesto que los procedimientos de preparación de muestra de cada aplicación tienen diferencias entre sí, los procesos comprometidos fueron tratados como el protocolo. Electrón viga patrón combinado con determinación de ubicación material y electrodos metálicos definición sirve así como el protocolo aquí. Entre los dos tipos de dispositivos mencionados, fueron presenta...

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue financiado por el Consejo Nacional de ciencia, Taiwán bajo contrato no. MÁS 105-2112-M-003-016-MY3. Este trabajo también fue apoyado en parte por el laboratorio de la e-beam en ingeniería eléctrica de la Universidad Nacional de Taiwán y Nano dispositivo laboratorios nacionales.

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
E-gun Evaporator	AST	PEVA 600I
Au slug, 99.99%	Well-Being Enterprise Co	N/A
Ti slug, 99.99%	Well-Being Enterprise Co	N/A
E-beam Lithography System	Elionix	ELS7500-EX
Cold Wall CVD System	Sulfur Science	SCW600S
C-plane Sapphire substrate	Summit-Tech	X171999	(0001) ± 0.2 ° one side polished
100 nm SiO₂/Si			Fabricated in NDL
Ammonia Solution	BASF	Ammonia Solution 28% Selectipur
Molybdenum (Mo), 99.95%	Summit-Tech	N/A
Tungsten (W), 99.95%	Summit-Tech	N/A
Sulfur (S), 99.5%	Sigma-Aldrich	13803
Polymethyl Methacrylate (PMMA)	Microchem	8110788	Use for transfer process
Spin Coater	Laurell	WS 400B 6NPP LITE
Acetone	BASF	Acetone EL Selectipur
Isopropanol (IPA)	BASF	2-Propanol UPS
Photo Resist for EBL	TOK	TDUR-P-015
Plasma Cleaner	Harrick Plasma	PDC-32G	Oxygen plasma

Referencias

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