Transistor à canal à vide nanométrique à base de graphène

Contexte

Alors que la technologie traditionnelle à base de Si atteint progressivement la limite minimale, de nombreux efforts ont été faits dans les nouvelles nanostructures ou les matériaux de faible dimension [1,2,3,4,5,6,7]. Parmi ces problèmes importants, les transistors composés de canaux sous vide à l'échelle nanométrique ou connus sous le nom de nanogap ont régulièrement attiré l'attention [8,9,10]. Distinctes des premiers tubes à vide avec une consommation d'énergie élevée et une difficulté d'intégration élevée, les structures de nanogap sont plus prometteuses pour la nanoélectronique moderne. Pour les transistors à effet de champ (FET) classiques, les porteurs peuvent entrer en collision avec les phonons optiques et acoustiques pendant le transport. En outre, les FET intrinsèques à base de graphène se sont avérés avoir un rapport de courant marche-arrêt inférieur à 10 en raison de l'absence de bande interdite, qui ne convient pas aux circuits logiques intégrés modernes. Intrinsèquement, les électrons pourraient voyager de manière balistique à travers le canal à vide à l'échelle nanométrique tout en subissant une collision ou une diffusion dans les semi-conducteurs. Et les nano-dispositifs sous vide pourraient être compatibles avec le processus standard du silicium et combiner les avantages du transport balistique avec la miniaturisation et l'intégration. Ainsi, les transistors à canal sous vide à l'échelle nanométrique (NVCT) peuvent produire une haute fréquence [9, 11], un rapport marche/arrêt [12] ou une réponse temporelle rapide [13] avec une faible tension de fonctionnement. Plus important encore, il est prouvé que le NVCT conserve les avantages des tubes à vide traditionnels qui fonctionnent normalement dans des conditions extrêmes, comme l'exposition aux rayonnements ionisants ou à haute température [8]. Le développement de la technologie de fabrication peut ouvrir d'énormes opportunités pour la création de canaux à vide à l'échelle nanométrique, qui pourraient être compatibles avec les circuits intégrés (CI) modernes.

En conséquence, de nombreuses tentatives ont été faites pour réduire le canal à vide en nanogap et construire trois jonctions terminales. Par exemple, la structure verticale a été largement utilisée dans les dispositifs électroniques à vide traditionnels [14, 15]. Les chercheurs ont proposé différents types de NVCT verticaux, où les électrons pourraient émettre directement hors du plan, par exemple, le transistor à vide de type fente [16], ou le NVCT de type Spindt [17]. Cependant, la structure verticale pourrait difficilement être compatible avec le procédé CMOS. Par rapport à la structure haut-bas, les NVCT planaires sont plus prospectives pour une intégration future car le nanogap est variable avec la disposition du masque, y compris la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) [18], le faisceau d'ions focalisés (FIB) [19] ou la nanoimpression [20 ]. Récemment, des transistors à vide de type plan avec canal nanogap ont été fabriqués avec un traitement traditionnel des semi-conducteurs. Meyyappan et al. ont démontré un transistor à nanocanaux sous vide à grille arrière avec un traitement standard des semi-conducteurs en silicium, présentant des caractéristiques de commutation haute fréquence avec un courant de fuite négligeable [9]. Afin d'améliorer la contrôlabilité de la porte, ils ont en outre fabriqué un NVCT à porte surround composé d'un canal à vide inférieur à 50 nm, et il a été prouvé que l'appareil résiste aux rayonnements ionisants (protons et rayons gamma) et aux températures élevées (200 °C). [8]. Wei et al. a fabriqué avec succès un transistor à vide à base de graphène avec de meilleures performances électriques que ces transistors à semi-conducteurs à base de graphène. Avec un rapport de courant marche/arrêt supérieur et de faibles tensions de fonctionnement, le graphène NVCT devrait être appliqué dans des environnements sévères tels que les rayonnements électromagnétiques ou les températures extrêmes [12]. Nos travaux précédents ont également fabriqué avec précision des matrices de nanogap alignées à moins de 30 nm avec un processus bien contrôlé [21]. Les résultats expérimentaux ci-dessus indiquent que les nano-dispositifs à vide, composés du canal à vide à l'échelle nanométrique, présentent les avantages d'une vitesse de réponse élevée, d'une faible tension de fonctionnement et de performances de commutation supérieures et, plus important encore, pourraient être compatibles avec le processus au silicium standard et combiner les avantages du transport balistique avec miniaturisation et intégration. En particulier, le nano-canal plus petit que le libre parcours moyen des électrons peut se comporter comme du vide sans diffusion ni collision. Ainsi, le NVCT peut fonctionner dans un environnement à faible vide ou même dans une atmosphère, ouvrant la voie à une nouvelle génération d'appareils électroniques à vide haute performance, à grande vitesse et à faible coût.

Nous rapportons ici la fabrication d'un NVCT à base de graphène à l'aide d'une méthode de transfert humide optimisée et d'un traitement EBL standard. Un nano-canal sous vide de 90 nm a été réalisé avec une structure de porte arrière, qui pourrait moduler le champ électrique de la zone d'émission et la transmission des électrons de l'émetteur au collecteur. Les caractéristiques électriques in situ sont réalisées dans la chambre à vide du microscope électronique à balayage (MEB) avec un nanomanipulateur, montrant la fonctionnalité de base avec un rapport de courant marche/arrêt élevé, une faible tension de travail et un courant de fuite. Il est important de noter que nous pensons qu'une réduction supplémentaire de la taille du canal pourrait permettre de réaliser des applications à haute vitesse, à haute fiabilité et à faible coût pour l'électronique moderne.

Méthodes

Transfert humide

Dans ce rapport, le graphène à grande échelle a été cultivé directement sur la feuille de Cu par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) thermique à 1020 °C avec CH₄ (20 sccm) et H₂ (40 sccm) [22]. Parmi les différentes techniques de transfert pour le graphène cultivé par CVD, la méthode principale est le transfert chimique utilisant du PMMA comme couche de support. Tout d'abord, une couche de PMMA a été appliquée par centrifugation sur le film de graphène/Cu et cuite à 100 °C pendant 5 min pour solidifier le PMMA. Après gravure dans le FeCl₃ :HCl:H₂ O (rapport de masse molaire de 1:1:1) pendant 90 min, le film de PMMA/graphène restant a été transféré et trempé dans l'eau désionisée pendant 5 min. Cette opération de nettoyage a été répétée quatre ou cinq fois pour éliminer complètement le résidu de solution de gravure. Ensuite, le film PMMA/graphène a été transféré au SiO₂ /Si substrats et séché à 100 °C pendant 5 min, en éliminant l'eau résiduelle entre la membrane et le substrat. Enfin, l'échantillon a été trempé dans la solution d'acétone pendant une heure pour retirer la couche de support en PMMA.

Cependant, nous avons observé que le processus de transfert humide traditionnel pouvait entraîner des fissures ou des plis sur la surface du graphène avec des résidus de PMMA massifs, ce qui pourrait grandement influencer les performances électriques par la suite. En conséquence, nous avons en outre utilisé les ultrasons [23] pour nettoyer le SiO₂ Substrats /Si avec un processus de post-recuit basé sur la méthode traditionnelle de transfert humide, comme le montre la Fig. 1. En combinant avec un traitement aux ultrasons d'une heure (puissance de 100 W et fréquence de 50 Hz), à la fois l'hydrophilie et la planéité du substrat ont été améliorés, qu'une membrane de graphène de 2 cm × 2 cm pouvait être transférée en continu sur le substrat (Fig. 2a). De plus, nous introduisons un processus de recuit post-thermique [24, 25] pour éliminer efficacement le résidu de PMMA, avec un flux de mélange d'Ar₂ (100 sccm) et H₂ (40 sccm) à 300 °C pendant 3 h. Les détails et la discussion du processus d'optimisation sont affichés dans le fichier supplémentaire 1.

Procédés de transfert chimique du graphène sans recuit en atmosphère réductrice. Les encarts sont les photographies optiques du graphène transférées sur SiO₂ Substrat /Si avec (à droite) ou sans (à gauche) recuit, respectivement

Photographie optique d'un 2 × 2 cm ² graphène sur SiO₂ Substrat /Si (a ). Image SEM du graphène transféré (b ). Spectre Raman typique montrant les caractéristiques de base du graphène (c )

La figure 2a montre clairement la photographie optique du film de graphène produit de 2 cm × 2 cm sur SiO₂ Substrat /Si, indiquant l'excellente transparence du graphène. Le graphène/SiO₂ a été caractérisé par un microscope électronique à balayage à émission de champ (Quanta 200 FEI), comme le montre la figure 2b. L'image SEM démontre que le graphène était continu et uniformément transféré sur le substrat avec peu de fissures ou de bigorneaux. De plus, la spectroscopie Raman (excitation laser à 514 nm) est couramment utilisée pour évaluer la qualité du graphène transféré. La figure 2c montre le spectre Raman typique du graphène sur SiO₂ /Si substrat. Avec pic D discret situé à 1349 cm ⁻¹ , les pics G et 2D ont pu être clairement observés à 1587 et 2685 cm ⁻¹ avec un rapport 2D/G de 2,19. La faible intensité du pic D démontre que peu de défauts supplémentaires ont été générés pendant le processus de transfert. Le pic 2D est étroit avec le rapport I_G /I_2D inférieur à 0,5, ce qui indique les caractéristiques de base du graphène monocouche. Les résultats du spectre Raman montrent une haute qualité et continuité du graphène avec notre méthode de transfert chimique optimisée.

Fabrication d'un transistor à canal sous vide à base de graphène à l'échelle nanométrique

La figure 3 illustre le processus de fabrication d'un transistor à canal sous vide à l'échelle nanométrique à base de graphène. Tout d'abord, le SiO₂ 100 nm l'isolant a été déposé par la méthode PECVD (dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma), le graphène étant ensuite transféré sur le substrat. Des contacts en or ont été déposés sur du graphène par évaporation par faisceau d'électrons (5 nm Cr et 80 nm Au) avec un processus de décollage subséquent. Après revêtement par centrifugation de PMMA à la surface du graphène, le canal nano-vide a été formé par EBL standard (Vistec, EBPG 5000plus ES) avec un suivi O₂ -gravure plasma. Les nanogaps ont été positionnés pour couper la membrane de graphène en deux moitiés. Les échantillons ont été nettoyés avec de l'acétone, de l'alcool isopropylique et de l'eau déminéralisée, respectivement. Enfin, les échantillons ont été traités via 1 h de recuit à 300 °C avec un flux d'hydrogène (40 sccm) et d'argon (100 sccm). La figure 4a montre l'image SEM du NVCT à base de graphène, avec des contacts Au des deux côtés de l'émetteur et du collecteur de graphène. Et la figure 4b montre un zoom avant du NVCT, montrant un canal à vide d'environ 90 nm de largeur qui permet aux électrons de se déplacer par voie balistique à travers le nanogap.

Schéma de principe du processus de fabrication du transistor à canal sous vide nanométrique à base de graphène

Image SEM de NVCT à base de graphène avec contacts Au (a ). Un zoom avant du canal de vide ~ 90 nm (b )

Résultats et discussion

Pour étudier le mécanisme de transport des électrons à travers le nano-canal sous vide, les mesures d'émission de champ in-situ sont effectuées avec un nanomanipulateur dans la chambre à vide du MEB (pression de base de ~ 10 ^-4 Pa), comme le montre la Fig. 5a. Le système de nanomanipulateur a été développé pour l'observation et la mesure en temps réel de l'émission de champ dans un environnement sous vide, qui pourrait être considéré comme la station de sonde à l'intérieur de la chambre SEM et permettre de localiser ou de tester les échantillons. En outre, la méthode de test in situ pourrait refléter plus objectivement les propriétés électriques du NVCT à base de graphène et mieux servir la conception de la structure de nanogap. Le nanomanipulateur est équipé de micropointes en tungstène en forme de cylindre et connecté à l'unité de mesure de source numérique Keithely 2400. Afin d'éviter une panne du vide et des dommages au graphène, une limite de courant de 10 μA a été imposée pendant le processus de test. Un biais a été appliqué entre les films de graphène séparés et augmenté manuellement à un échelon de tension de 0,1 V, afin que les électrons soient émis latéralement par les bords du graphène.

Mesure d'émission de champ in situ du transistor à nanocanaux sous vide à base de graphène (a ). Diagramme de bande de NVCT à base de graphène à V _g < V _seuil et V _g> V _seuil (b , c )

La figure 5b, c montre le diagramme de bande de la NVCT à base de graphène aux états activés et désactivés, respectivement. Généralement, la tension de grille appliquée à la grille arrière pourrait moduler la barrière à vide entre l'émetteur et le collecteur. Lorsque la tension de grille est inférieure à la tension de seuil, la barrière est trop large pour créer un effet tunnel pour les électrons de faible énergie. En outre, les électrons pourraient recevoir la diffusion par les impuretés sur le SiO₂ surface et piégé aux inconvénients de l'émetteur. Lorsque la tension de grille augmente au-delà de la tension de seuil, la largeur de la barrière est comprimée en conséquence. Les électrons pourraient surmonter la barrière rétrécie via l'effet tunnel F-N, conduisant à l'état passant du NVCT. De plus, l'accordabilité de la bande d'énergie du graphène par la tension de grille peut être une autre contribution, car la conductivité électrique du graphène monocouche peut être modulée par la tension de grille. Lorsque la tension de grille augmente, le niveau de Fermi E_F passer à la bande de conduction, ainsi, améliorer la densité électronique de la surface du graphène et améliorer le courant d'émission.

Pour explorer davantage les propriétés électriques et étendre les applications de la NVCT à base de graphène, la sortie (V_c contre I_c ) et transférer (V_g contre I_c ) les caractéristiques sont étudiées, comme le montrent les Fig. 6a, b, respectivement. Semblable aux transistors à effet de champ (FET) à base de graphène typiques, le NVCT à base de graphène pourrait être modulé à l'état bloqué ou passant par la tension de grille. La figure 6a illustre la caractéristique de sortie typique avec une tension de grille V _g augmentant de 0 à 15 V. On remarque qu'aucune émission d'électrons évidente I _c ont été mesurés lorsque V _g est inférieure à la tension de seuil, indiquant que le NVCT est à l'état bloqué. En tant que V _g augmente et dépasse la tension de seuil, le NVCT passe à l'état activé que I _c présentent une croissance exponentielle avec la tension de collecteur V _c . La caractéristique de transfert avec V _c =7,5 V est indiqué sur la Fig. 6b en échelle linéaire (ligne rouge) et exponentielle (ligne noire), respectivement. Nous pouvons voir que la tension de seuil est d'environ 6 V avec une tension de collecteur fixe de 7,5 V, et I _c croît rapidement lorsque V _g est supérieure à la tension de seuil. Aussi, les courbes tracées en échelle exponentielle (ligne noire) présentent un rapport marche/arrêt supérieur à 10 ² , qui est supérieur aux FET au graphène intrinsèque en raison de l'absence de bande interdite. Wei et al. suppose que les propriétés d'émission d'électrons sont liées à la topographie de surface du graphène ou à la distance de l'émetteur au collecteur [12]. Ainsi, un rétrécissement supplémentaire de la largeur du nanogap ou une modification de la structure peut permettre d'améliorer le rapport de courant marche/arrêt et l'émission d'électrons.

Les caractéristiques de sortie avec V_g de 0 à 15 V (a ). Les caractéristiques de transfert montrent un rapport marche/arrêt supérieur à 10 ² (b ). Courant de fuite du NVCT à base de graphène (c ). Test de stabilité à différents degrés de vide (d ). L'encart montre les changements de géométrie de la surface après des tests stables

Pour exclure la possibilité d'émission d'électrons à travers l'isolant, nous détectons également le courant de fuite pendant la mesure. Un courant de fuite faible et négligeable (inférieur à 0,5 nA) est observé, en raison du SiO₂ de 100 nm d'épaisseur isolant. Avec une structure de porte arrière, cependant, l'isolant joue un rôle crucial dans le dispositif. Un isolant mince pourrait améliorer la capacité de modulation de la porte arrière tandis que l'isolant devrait être suffisamment solide pour éviter les pannes. En conséquence, l'optimisation du matériau isolant pour diminuer l'épaisseur et améliorer la résistance à la rupture, par exemple, en utilisant Al₂ O₃ ou HfO₂ comme isolant de grille à k élevé [26,27,28,29,30,31], pourrait en effet améliorer les performances électriques du NVCT. En outre, le test de stabilité du NVCT à différents degrés de vide est illustré à la Fig. 6d avec une tension de collecteur et de grille fixe définie sur 7,5 V et 15 V, respectivement. Avec la conductivité thermique élevée du graphène, la diminution du courant d'émission induite par le chauffage Joule est affaiblie, ne montrant aucune dégradation ni fluctuation évidente à un degré de vide de ~ 10 ⁻⁴ Pa. Cependant, une diminution lente du courant est observée dans le vide faible (~ 10 ⁻¹ Pennsylvanie). L'encart montre clairement la fracture et les fissures sur la surface du graphène après le test de stabilité. On suppose que la chaleur Joule s'agrège au niveau de l'émetteur de graphène et endommage la morphologie de la surface, conduisant à la dégradation du courant d'émission dans le vide faible [32, 33]. Nous espérons que cela pourra être résolu dans les travaux ultérieurs, afin d'élargir le champ d'application et l'occasion du NVCT à base de graphène.

Pour comparer les performances des transistors à canal sous vide à l'échelle nanométrique basés sur différents types ou matériaux, la largeur du canal, la tension de fonctionnement, le courant de fonctionnement, le rapport marche/arrêt, le courant de grille et le test de stabilité sont répertoriés dans le tableau 1. De toute évidence, le vide à base de silicium les transistors à canal (back-gate et gate-all-around) illustrent de meilleures performances que les dispositifs à base de graphène. En comparant le courant de grille, on peut voir que la consommation d'énergie de notre NVCT à base de graphène est supérieure à celle des autres appareils. Pendant ce temps, le canal à vide de 90 nm de largeur pourrait permettre de réduire la taille des dispositifs à vide et de réaliser la NVCT sur puce avec de multiples fonctionnalités. Cependant, les performances de rapport marche/arrêt ou de courant de travail de notre appareil sont loin derrière d'autres structures et nécessitent encore des améliorations sur l'optimisation du processus de fabrication et des paramètres de structure. Nous espérons qu'il pourra être présenté dans une future publication.

Conclusion

En conclusion, un NVCT à base de graphène a été fabriqué avec succès avec un processus CMOS standard. Nous avons utilisé les ultrasons pour nettoyer le SiO₂ Substrats /Si avec un processus de post-recuit basé sur la méthode traditionnelle de transfert humide selon laquelle une membrane de graphène de 2 cm × 2 cm pourrait être transférée en continu sur le substrat. Les propriétés électriques de la NVCT ont été étudiées. En modulant la tension de grille, le NVCT pourrait être commuté de l'état désactivé à l'état activé, présentant un rapport de courant marche/arrêt jusqu'à 10 ² avec de faibles tensions de fonctionnement (< 20 V) et des courants de fuite (< 0,5 nA). Une nouvelle amélioration de la NVCT à base de graphène par l'optimisation de la structure peut ouvrir la voie à des applications à grande vitesse, à haute fiabilité et à faible coût pour la nanoélectronique moderne sous vide.

Abréviations

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

EBL :

Lithographie par faisceau d'électrons

FET :

Transistor à effet de champ

FIB :

Faisceau d'ions focalisé

IC :

Circuit intégré

NVCT :

Transistor à canal sous vide à l'échelle nanométrique

PECVD :

Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle

SEM :

Microscope électronique à balayage