그래핀 기반 나노스케일 진공 채널 트랜지스터

초록

우리는 그래핀을 기반으로 한 나노규모 진공 채널 트랜지스터(NVCT)의 제조 및 전기적 성능을 보고합니다. 90나노미터 너비의 진공 나노채널은 표준 전자빔 리소그래피 공정으로 정밀하게 제작될 수 있습니다. 그래핀의 표면 손상 및 접착 잔류물의 최적화 및 처리는 초음파 세척 및 열처리를 통해 수행됩니다. 또한, in situ 전기적 특성은 nanomanipulator를 사용하여 주사형 전자 현미경(SEM)의 진공 챔버 내부에서 직접 수행됩니다. 게이트 전압을 변조하여 NVCT를 오프 상태에서 온 상태로 전환하여 최대 10² 의 온/오프 전류 비율을 나타낼 수 있습니다. 낮은 작동 전압(<20 V) 및 누설 전류(<0.5 nA). 또한 나노스케일 진공 채널은 집적도가 높은 진공 장치의 크기를 축소할 수 있어 NVCT를 고속 응용 분야의 유망한 후보로 만들 수 있습니다.

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배경

기존의 Si 기반 기술이 점차 최소화의 한계에 도달함에 따라 새로운 나노구조 또는 저차원 물질에 대한 많은 노력이 이루어졌다[1,2,3,4,5,6,7]. 이러한 두드러진 문제 중 나노 크기의 진공 채널로 구성되거나 나노갭으로 알려진 트랜지스터가 꾸준히 주목받고 있다[8,9,10]. 고전력 소비와 고집적화의 어려움을 지닌 초기 진공관과 달리 나노갭 구조는 현대 나노전자공학에 더 유망합니다. 기존의 전계 효과 트랜지스터(FET)의 경우 캐리어가 전송 중에 광학 및 음향 포논과 충돌할 수 있습니다. 또한, 진성 그래핀 기반 FET는 밴드갭이 없기 때문에 온-오프 전류 비율이 10 미만인 것으로 밝혀졌으며, 이는 최신 집적 논리 회로에 적합하지 않습니다. 본질적으로 전자는 반도체에서 충돌이나 산란을 겪으면서 나노 규모의 진공 채널을 통해 탄도적으로 이동할 수 있습니다. 그리고 진공 나노 장치는 표준 실리콘 공정과 호환될 수 있고 탄도 수송의 장점을 소형화 및 통합과 결합할 수 있습니다. 따라서 나노 크기의 진공 채널 트랜지스터(NVCT)는 낮은 작동 전압으로 고주파수[9, 11], 온/오프 비율[12] 또는 빠른 시간 응답[13]을 출력할 수 있습니다. 더 중요한 것은 NVCT가 이온화 방사선 노출이나 고온과 같은 극한 조건에서 정상적으로 작동하는 기존 진공관의 장점을 유지하는 것으로 입증되었다는 것입니다[8]. 제조 기술의 발전은 최신 집적 회로(IC)와 호환될 수 있는 나노스케일 진공 채널을 생성할 수 있는 엄청난 기회를 열 수 있습니다.

그 결과, 진공 채널을 나노갭으로 축소하고 3개의 말단 접합을 구성하려는 많은 시도가 있었습니다. 예를 들어, 수직 구조는 기존의 진공 전자 장치에서 널리 사용되었습니다[14, 15]. 연구원들은 전자가 평면 밖으로 직접 방출될 수 있는 다양한 유형의 수직 NVCT를 제안했습니다(예:슬릿형 진공 트랜지스터[16] 또는 Spindt형 NVCT[17]). 그러나 수직 구조는 CMOS 공정과 거의 호환되지 않았습니다. 상하 구조와 비교할 때 평면 NVCT는 전자빔 리소그래피(EBL)[18], 집속 이온빔(FIB)[19] 또는 나노임프린팅[20]을 포함하여 나노갭이 마스크 레이아웃에 따라 가변적이기 때문에 향후 통합에 더 유망합니다. ]. 최근에는 나노갭 채널을 가진 평면형 진공 트랜지스터가 전통적인 반도체 공정으로 제작되었습니다. Meyappanet al. 무시할 수 있는 누설 전류로 고주파 스위칭 특성을 보여주는 표준 실리콘 반도체 공정을 사용한 백 게이트 진공 나노 채널 트랜지스터를 시연했습니다[9]. 게이트 제어성을 향상시키기 위해 그들은 50nm 이하의 진공 채널로 구성된 서라운드 게이트 NVCT를 추가로 제작했으며, 이 장치는 이온화 방사선(양성자 및 감마선)과 고온(200°C)에 견디는 것으로 입증되었습니다. [8]. Wei et al. 그래핀 기반 고체 트랜지스터보다 더 나은 전기적 성능을 가진 그래핀 기반 진공 트랜지스터를 성공적으로 제작했습니다. 우수한 온/오프 전류비와 낮은 작동 전압으로 그래핀 NVCT는 전자기 복사나 극한 온도와 같은 가혹한 환경에서 적용될 것으로 기대된다[12]. 우리의 이전 작업은 또한 잘 제어된 프로세스로 30nm 이하 정렬된 나노갭 어레이를 정밀하게 제작했습니다[21]. 위의 실험 결과는 나노 스케일 진공 채널로 구성된 진공 나노 소자가 높은 응답 속도, 낮은 작동 전압 및 우수한 스위칭 성능의 장점을 가지며 더 중요하게는 표준 실리콘 공정과 호환 가능하고 결합할 수 있음을 나타냅니다. 소형화 및 통합을 통한 탄도 수송의 장점. 특히 전자의 평균 자유경로보다 작은 나노채널은 산란이나 충돌 없이 진공처럼 거동할 수 있다. 따라서 NVCT는 저진공 환경이나 심지어 대기에서도 작동할 수 있어 차세대 고성능, 고속 및 저비용 진공 전자 장치의 길을 열 수 있습니다.

여기에서는 최적화된 습식 전달 방법과 표준 EBL 처리를 사용하여 그래핀 기반 NVCT의 제조에 대해 보고합니다. 90nm의 진공 나노 채널은 백 게이트 구조로 달성되었으며 방출 영역의 전기장과 이미 터를 통해 수집기로 전자 전달을 조절할 수 있습니다. 주사전자현미경(SEM)의 진공챔버에서 나노매니퓰레이터를 이용하여 In situ 전기적 특성을 측정하여 높은 온/오프 전류비, 낮은 작동전압, 누설전류 등의 기본적인 기능을 보여줍니다. 중요하게도 우리는 채널 크기의 추가 축소가 현대 전자 제품을 위한 고속, 높은 신뢰성 및 저비용 애플리케이션을 충족할 수 있다고 믿습니다.

방법

전액 송금

이 보고서에서 대규모 그래핀은 CH₄를 사용하여 1020°C에서 열 화학 기상 증착(CVD)에 의해 Cu 호일에서 직접 성장했습니다. (20 sccm) 및 H₂ (40 sccm) [22]. CVD 성장 그래핀에 대한 다양한 전사 기술 중 주류 방법은 PMMA를 지지층으로 사용하는 화학적 전사이다. 먼저 그래핀/Cu 필름에 PMMA 층을 스핀 코팅하고 100°C에서 5분 동안 베이킹하여 PMMA를 고형화했습니다. FeCl₃에서 에칭 후 :HCl:H₂ O 용액(1:1:1의 몰질량비)을 90분 동안 처리하고, 나머지 PMMA/그래핀 필름을 옮겨 탈이온수에 5분 동안 담가두었습니다. 이 세척 작업을 4~5회 반복하여 에칭 용액 잔류물을 완전히 제거하였다. 그런 다음, PMMA/그래핀 필름을 SiO₂ /Si 기질을 제거하고 100°C에서 5분 동안 건조하여 막과 기질 사이의 잔류 물을 제거합니다. 마지막으로 샘플을 아세톤 용액에 1시간 동안 담가서 PMMA 지지층을 제거했습니다.

그러나 우리는 전통적인 습식 전사 공정이 그래핀 표면에 엄청난 PMMA 잔류물과 함께 균열이나 주름을 유발할 수 있으며, 이는 이후 전기적 성능에 큰 영향을 미칠 수 있음을 관찰했습니다. 결과적으로 우리는 초음파[23]를 사용하여 SiO₂를 세척했습니다. /Si 기판은 그림 1과 같이 전통적인 습식 전사법을 기반으로 한 포스트 어닐링 공정입니다. 1시간 초음파 처리(파워 100W 및 주파수 50Hz)와 결합하여 기판의 친수성 및 평탄도 모두 2cm × 2cm 그래핀 멤브레인이 기판으로 연속적으로 전사될 수 있도록 향상되었습니다(그림 2a). 또한, 우리는 Ar₂ (100 sccm) 및 H₂ (40 sccm), 300°C에서 3시간 최적화 프로세스에 대한 세부정보 및 논의는 추가 파일 1에 나와 있습니다.

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환원 분위기에서 열처리 없이 그래핀을 화학적으로 이동시키는 공정. 삽입된 사진은 SiO₂에 전사된 그래핀의 광학 사진입니다. /Si 기판(오른쪽) 또는 없는(왼쪽) 어닐링

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2 × 2 cm² 의 광학 사진 SiO₂의 그래핀 /Si 기질(a ). 전사된 그래핀의 SEM 이미지(b ). 그래핀의 기본 특징을 보여주는 전형적인 라만 스펙트럼(c )

그림 2a는 SiO₂에 생성된 2cm × 2cm 그래핀 필름의 광학 사진을 명확하게 보여줍니다. /Si 기판은 그래핀의 우수한 투명도를 나타냅니다. 그래핀/SiO₂ 그림 2b와 같이 전계 방출 주사 전자 현미경(Quanta 200 FEI)으로 특성화되었습니다. SEM 이미지는 그래핀이 연속적이며 균열이나 주름이 거의 없는 기판에 균일하게 전사되었음을 보여줍니다. 또한, 전달된 그래핀의 품질을 평가하기 위해 라만 분광법(514nm 레이저 여기)이 일반적으로 사용됩니다. 그림 2c는 SiO₂에서 그래핀의 일반적인 라만 스펙트럼을 보여줍니다. /Si 기판. 눈에 띄지 않는 D 피크가 1349cm⁻¹ 에 있음 , G 및 2D 피크는 1587 및 2685cm⁻¹ 에서 명확하게 관찰될 수 있습니다. 2.19의 2D/G 비율로. D 피크의 낮은 강도는 전송 과정에서 추가 결함이 거의 생성되지 않았음을 보여줍니다. 2D 피크는 I_G 비율로 좁습니다. /I_2D 0.5 미만으로 단일층 그래핀의 기본 특성을 나타냅니다. 라만 스펙트럼 결과는 최적화된 화학적 전달 방법으로 그래핀의 높은 품질과 연속성을 보여줍니다.

그래핀 기반 나노스케일 진공 채널 트랜지스터 제작

도 3은 그래핀 기반 나노크기 진공 채널 트랜지스터를 제조하는 과정을 도시한 것이다. 첫째, 100nm SiO₂ 절연체는 PECVD(플라즈마 강화 화학 기상 증착) 방법에 의해 증착되었으며, 그래핀 화학 물질은 이후 기판에 전사되었습니다. 금 접촉은 전자빔 증발(5nm Cr 및 80nm Au)에 의해 그래핀에 증착되었으며 이후 리프트오프 프로세스가 진행되었습니다. 그래핀 표면에 PMMA를 스핀 코팅한 후 표준 EBL(Vistec, EBPG 5000plus ES)에 의해 나노 진공 채널을 형성하고 O₂ -플라즈마 에칭. 나노갭은 그래핀 막을 두 개의 반으로 자르기 위해 배치되었다. 샘플은 각각 아세톤, 이소프로필 알코올 및 탈이온수로 세척되었습니다. 마지막으로 샘플은 수소(40sccm) 및 아르곤(100sccm)의 흐름으로 300°C에서 1시간의 어닐링을 통해 처리되었습니다. 그림 4a는 그래핀 이미터와 컬렉터의 양쪽에 Au 접점이 있는 그래핀 기반 NVCT의 SEM 이미지를 보여줍니다. 그리고 그림 4b는 전자가 나노갭을 통해 탄도 수송을 할 수 있도록 하는 약 90nm 너비의 진공 채널을 보여주는 NVCT의 확대를 보여줍니다.

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그래핀 기반 나노 스케일 진공 채널 트랜지스터 제조 공정의 개략도

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Au 접점이 있는 그래핀 기반 NVCT의 SEM 이미지(a ). ~ 90nm 진공 채널 확대(b )

결과 및 토론

진공 나노 채널을 통한 전자 전달 메커니즘을 연구하기 위해 SEM의 진공 챔버에서 나노 조작기로 현장 전계 방출 측정을 수행합니다(기본 압력 ~ 10⁻⁴ Pa), 그림 5a와 같이. nanomanipulator 시스템은 진공 환경에서 전계 방출의 실시간 관찰 및 측정을 위해 개발되었으며 SEM 챔버 내부의 프로브 스테이션으로 간주될 수 있으며 샘플의 위치를 찾거나 테스트할 수 있습니다. 또한 in situ 테스트 방법은 그래핀 기반 NVCT의 전기적 특성을 보다 객관적으로 반영하고 나노갭 구조 설계에 더 도움이 될 수 있습니다. nanomanipulator에는 실린더 모양의 텅스텐 마이크로팁이 장착되어 있으며 Keithely 2400 디지털 소스 측정 장치에 연결되어 있습니다. 그래핀의 진공 파괴 및 손상을 방지하기 위해 테스트 과정에서 10μA의 전류 제한이 적용되었습니다. 분리된 그래핀 필름 사이에 바이어스를 가하고 0.1V의 전압 단계에서 수동으로 증가시켜 전자가 그래핀 가장자리에서 측면으로 방출되도록 했습니다.

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그래핀 기반 진공 나노채널 트랜지스터(a ). V에서 그래핀 기반 NVCT의 밴드 다이어그램 _g <V _임계값 및 V _g> V _임계값 (b , ㄷ )

그림 5b, c는 각각 온 및 오프 상태에서 그래핀 기반 NVCT의 밴드 다이어그램을 보여줍니다. 일반적으로 백 게이트에 적용된 게이트 전압은 이미터와 컬렉터 사이의 진공 장벽을 변조할 수 있습니다. 게이트 전압이 임계 전압보다 낮으면 장벽이 너무 넓어서 저에너지 전자에 대한 필드 터널링이 불가능합니다. 또한 전자는 SiO₂의 불순물에 의해 산란을 받을 수 있습니다. 표면과 이미 터의 단점에 갇혀 있습니다. 게이트 전압이 임계 전압 이상으로 증가함에 따라 장벽의 너비가 그에 따라 압축됩니다. 전자는 F-N 터널링을 통해 좁은 장벽을 극복하여 NVCT의 온 상태로 이어질 수 있습니다. 더욱이, 게이트 전압에 의한 그래핀 에너지 밴드의 조정 가능성은 단층 그래핀의 전기 전도도가 게이트 전압에 의해 변조될 수 있기 때문에 또 다른 기여일 수 있습니다. 게이트 전압이 증가함에 따라 페르미 레벨 E_F 전도대로 이동하여 그래핀 표면의 전자 밀도를 높이고 방출 전류를 향상시킵니다.

전기적 특성을 더 탐구하고 그래핀 기반 NVCT의 응용을 확장하기 위해 출력(V_c 대 I_c ) 및 전송(V_g 대 I_c ) 특성은 각각 그림 6a, b와 같이 조사됩니다. 일반적인 그래핀 기반 전계 효과 트랜지스터(FET)와 유사하게 그래핀 기반 NVCT는 게이트 전압에 의해 오프 상태 또는 온 상태에서 변조될 수 있습니다. 그림 6a는 게이트 전압 V의 일반적인 출력 특성을 보여줍니다. _g 0에서 15V로 증가합니다. 명백한 전자 방출이 없음을 알 수 있습니다. I _ㄷ V일 때 측정되었습니다. _g NVCT가 오프 상태에 있음을 나타내는 임계 전압보다 작습니다. V로 _g 임계 전압이 증가하고 초과하면 NVCT는 I _ㄷ 콜렉터 전압 V에 따라 기하급수적으로 증가합니다. _ㄷ . V의 전달 특성 _ㄷ =7.5V는 그림 6b에서 각각 라이너(빨간색 선) 및 지수(검정색 선) 눈금으로 표시됩니다. 임계값 전압은 7.5V의 고정 콜렉터 전압에서 약 6V이며 I _ㄷ V일 때 빠르게 성장 _g 임계 전압보다 큽니다. 또한 지수 눈금(검은색 선)으로 표시된 곡선은 10² 을 초과하는 켜짐/꺼짐 비율을 나타냅니다. , 밴드갭이 없기 때문에 진성 그래핀 FET보다 우수합니다. Wei et al. 전자 방출 특성은 그래핀의 표면 지형이나 이미 터에서 콜렉터까지의 거리와 관련이 있다고 가정합니다[12]. 따라서 나노갭 폭을 더 좁히거나 구조를 수정하면 온/오프 전류 비율과 전자 방출을 향상시킬 수 있습니다.

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V_g의 출력 특성 0~15V(a ). 전송 특성이 10² 을 초과하는 켜짐/꺼짐 비율을 나타냅니다. (b ). 그래핀 기반 NVCT의 누설 전류(c ). 다양한 진공도에서 안정성 테스트(d ). 삽입된 그림은 안정적인 테스트 후 표면 형상 변화를 보여줍니다.

절연체를 통한 전자 방출 가능성을 배제하기 위해 측정 중 누설 전류도 감지합니다. 100nm 두께의 SiO₂로 인해 낮고 무시할 수 있는 누설 전류(0.5nA 미만)가 관찰됩니다. 절연체. 그러나 백 게이트 구조에서 절연체는 장치에서 중요한 역할을 합니다. 얇은 절연체는 백 게이트의 변조 능력을 향상시킬 수 있지만 절연체는 고장을 피할 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다. 결과적으로 Al₂를 활용하여 절연체 재료를 최적화하여 두께를 줄이고 파괴 강도를 향상시킵니다. O₃ 또는 HfO₂ 고유전율 게이트 절연체[26,27,28,29,30,31]는 실제로 NVCT의 전기적 성능을 향상시킬 수 있습니다. 또한 고정 컬렉터와 게이트 전압을 각각 7.5V 및 15V로 설정한 상태에서 서로 다른 진공도에서 NVCT의 안정성 테스트가 그림 6d에 나와 있습니다. 그래핀의 높은 열전도율로 인해 줄 가열에 의해 유도된 방출 전류의 감소가 약해지며 ~ 10⁻⁴ 의 진공도에서 뚜렷한 열화 및 변동을 보이지 않습니다. Pa. 그러나 저진공에서 느린 전류 감소가 관찰됩니다(~ 10⁻¹ 아빠). 삽입된 그림은 안정성 테스트 후 그래핀 표면에 균열과 균열이 명확하게 나타납니다. 줄 열은 그래핀 방사체에서 응집하고 표면 형태를 손상시켜 저진공에서 방출 전류 저하를 초래한다고 가정됩니다[32, 33]. 향후 연구에서 해결되어 그래핀 기반 NVCT의 적용 범위와 기회가 확대되기를 바랍니다.

나노 스케일 진공 채널 트랜지스터의 종류 또는 재료에 따른 성능을 비교하기 위해 채널 폭, 작동 전압, 작동 전류, 온/오프 비율, 게이트 전류 및 안정성 테스트가 표 1에 나열되어 있습니다. 분명히 Si 기반 진공 채널 트랜지스터(back-gate 및 gate-all-around)는 그래핀 기반 장치보다 더 나은 성능을 보여줍니다. 게이트 전류를 비교함으로써 우리의 그래핀 기반 NVCT의 에너지 소비가 다른 장치보다 우수함을 알 수 있습니다. 한편, 90nm 폭의 진공 채널은 진공 장치의 크기를 축소하고 여러 기능을 갖춘 온칩 NVCT를 충족할 수 있습니다. 그러나 우리 장치의 온/오프 비율 또는 작동 전류의 성능은 다른 구조에 비해 훨씬 뒤떨어져 있으며 제조 공정 및 구조 매개변수의 최적화에 대한 추가 개선이 여전히 필요합니다. 향후 간행물에서 발표될 수 있기를 바랍니다.

결론

결론적으로, 그래핀 기반 NVCT는 표준 CMOS 공정으로 성공적으로 제작되었다. 초음파를 사용하여 SiO₂를 세척했습니다. /Si 기판은 2cm × 2cm 그래핀 멤브레인이 기판에 연속적으로 전사될 수 있는 전통적인 습식 전사 방법을 기반으로 하는 포스트 어닐링 공정이 있습니다. NVCT의 전기적 특성을 조사하였다. 게이트 전압을 변조하여 NVCT를 오프 상태에서 온 상태로 전환하여 최대 10² 의 온/오프 전류 비율을 나타낼 수 있습니다. 낮은 작동 전압(<20 V) 및 누설 전류(<0.5 nA). 구조 최적화에 의한 그래핀 기반 NVCT의 추가 개선은 현대 진공 나노전자공학을 위한 고속, 고신뢰성 및 저비용 응용을 위한 길을 열 수 있습니다.

약어

CVD:: 화학 기상 증착
EBL:: 전자빔 리소그래피
FET:: 전계 효과 트랜지스터
FIB:: 집중 이온빔
IC:: 집적 회로
NVCT:: 나노 스케일 진공 채널 트랜지스터
PECVD:: 플라즈마 강화 화학 기상 증착
PMMA:: 폴리메틸메타크릴레이트
SEM:: 주사 전자 현미경

가시 반사율이 낮은 Si 나노와이어 어레이에 Cu2O 나노입자를 균일하게 장식하여 만든 효율적인 광촉매 전극 수식 층이 없는 효율적인 삼중층 인광 유기 발광 소자 및 그 작동 메커니즘

나노물질