グラフェンベースのナノスケール真空チャネルトランジスタ

背景

従来のSiベースの技術が徐々に最小化の限界に達するにつれて、新しいナノ構造または低次元材料に多くの努力が払われてきました[1,2,3,4,5,6,7]。これらの顕著な問題の中で、ナノスケールの真空チャネルで構成されるトランジスタ、またはナノギャップとして知られるトランジスタが着実に注目を集めています[8、9、10]。高電力消費と高度な統合が困難な初期の真空管とは異なり、ナノギャップ構造は現代のナノエレクトロニクスにとってより有望です。従来の電界効果トランジスタ（FET）の場合、キャリアは輸送中に光フォノンおよび音響フォノンと衝突する可能性があります。また、固有のグラフェンベースのFETは、バンドギャップがないためにオン/オフ電流比が10未満であることがわかりました。これは、最新の集積論理回路には適していません。本質的に、電子は、半導体内での衝突または散乱に悩まされている間、ナノスケールの真空チャネルを通って弾道的に移動する可能性があります。また、真空ナノデバイスは、標準的なシリコンプロセスと互換性があり、弾道輸送の利点と小型化および統合を組み合わせることができます。したがって、ナノスケール真空チャネルトランジスタ（NVCT）は、高周波[9、11]、オン/オフ比[12]、または低い動作電圧での高速時間応答[13]を出力する可能性があります。さらに重要なことに、NVCTは、電離放射線や高温への曝露などの極端な条件で正常に動作する従来の真空管の利点を保持していることが証明されています[8]。製造技術の開発は、最新の集積回路（IC）と互換性があるかもしれないナノスケールの真空チャネルを作成するための大きな機会を開くことができます。

その結果、真空チャネルをナノギャップにダウンスケールし、3つの末端接合を構築するための多くの試みがなされてきました。たとえば、垂直構造は従来の真空電子デバイスで広く利用されていました[14、15]。研究者らは、電子が直接面外に放出される可能性のあるさまざまなタイプの垂直NVCTを提案しています。たとえば、スリットタイプの真空トランジスタ[16]やSpindtタイプのNVCT [17]などです。ただし、垂直構造はCMOSプロセスとほとんど互換性がありません。ナノギャップは電子ビームリソグラフィー（EBL）[18]、集束イオンビーム（FIB）[19]、またはナノインプリント[20 ]。最近、ナノギャップチャネルを備えた平面型真空トランジスタが、従来の半導体処理で製造されてきた。 Meyyappan etal。は、標準的なシリコン半導体処理を備えたバックゲート真空ナノチャネルトランジスタを実証し、リーク電流が無視できる高周波スイッチング特性を示しました[9]。ゲートの可制御性を高めるために、彼らはさらに50 nm未満の真空チャネルで構成されるサラウンドゲートNVCTを製造し、デバイスは電離放射線（陽子およびガンマ線）および高温（200°C）に耐えることが証明されました。 [8]。魏ら。それらのグラフェンベースのソリッドステートトランジスタよりも優れた電気的性能を備えたグラフェンベースの真空トランジスタの製造に成功しました。優れたオン/オフ電流比と低い動作電圧により、グラフェンNVCTは、電磁放射や極端な温度などの過酷な環境での適用が期待されています[12]。私たちの以前の研究では、十分に制御されたプロセスを使用して、サブ30nmに整列したナノギャップアレイも正確に製造されました[21]。上記の実験結果は、ナノスケール真空チャネルで構成される真空ナノデバイスが、応答速度が速く、動作電圧が低く、スイッチング性能が優れているという利点があり、さらに重要なことに、標準的なシリコンプロセスと互換性があり、小型化と統合による弾道輸送の利点。特に、電子の平均自由行程よりも小さいナノチャネルは、散乱や衝突なしに真空として振る舞うことができます。したがって、NVCTは低真空環境または大気中でさえ機能する可能性があり、新世代の高性能、高速、低コストの真空電子デバイスへの道を開きます。

ここでは、最適化されたウェットトランスファー法と標準的なEBL処理を使用したグラフェンベースのNVCTの製造について報告します。 90 nmの真空ナノチャネルは、発光領域の電界とエミッタからコレクタへの電子透過を変調できるバックゲート構造で実現されています。その場での電気的特性は、ナノマニピュレーターを備えた走査型電子顕微鏡（SEM）の真空チャンバー内で実行され、高いオン/オフ電流比、低い作業電圧、およびリーク電流を備えた基本的な機能を示します。重要なのは、チャネルサイズをさらに縮小することで、最新の電子機器向けの高速、高信頼性、および低コストのアプリケーションを実現できると確信していることです。

メソッド

ウェットトランスファー

このレポートでは、大規模なグラフェンは、CH ₄ を使用して1020°Cで熱化学蒸着（CVD）によってCu箔上に直接成長しました。 （20 sccm）およびH ₂ （40 sccm）[22]。 CVD成長グラフェンのさまざまな転写技術の中で、主流の方法は、PMMAを支持層として使用する化学転写です。まず、PMMA層をグラフェン/ Cu膜にスピンコーティングし、100°Cで5分間ベークして、PMMAを固化しました。 FeCl ₃ でエッチングした後 ：HCl：H ₂ O溶液（モル質量比1：1：1）を90分間、残りのPMMA /グラフェンフィルムを移し、脱イオン水に5分間浸しました。この洗浄操作を４〜５回繰り返して、エッチング液の残留物を完全に除去した。次に、PMMA /グラフェンフィルムをSiO ₂ に転写しました。 / Si基板を使用し、100°Cで5分間乾燥させて、メンブレンと基板の間に残っている水分を取り除きます。最後に、サンプルをアセトン溶液に1時間浸して、PMMAサポート層を除去しました。

ただし、従来の湿式転写プロセスでは、グラフェン表面に大量のPMMA残留物を伴う亀裂やしわが発生する可能性があり、その後の電気的性能に大きな影響を与える可能性があることがわかりました。その結果、さらに超音波[23]を利用してSiO ₂ を洗浄しました。 図1に示すように、従来の湿式転写法に基づくポストアニーリングプロセスを備えた/ Si基板。1時間の超音波処理（100Wの電力と50Hzの周波数）と組み合わせて、基板の親水性と平坦性の両方2cm×2cmのグラフェン膜を基板に連続的に転写できるように強化されました（図2a）。さらに、Ar ₂ の混合フローで、PMMA残留物を効果的に除去するために、ポストサーマルアニーリングプロセス[24、25]を導入します。 （100 sccm）およびH ₂ （40 sccm）300°Cで3時間。最適化プロセスの詳細と説明は、追加ファイル1に示されています。

還元性雰囲気でのアニーリングなしのグラフェンの化学的移動のプロセス。挿入図は、SiO ₂ に転写されたグラフェンの光学写真です。 / Si基板（右）またはアニーリングなし（左）それぞれ

2×2cm ² の光学写真 SiO ₂ 上のグラフェン / Si基板（ a ）。転写されたグラフェンのSEM画像（ b ）。グラフェンの基本的な特徴を示す典型的なラマンスペクトル（ c ）

図2aは、SiO ₂ 上に生成された2cm×2cmのグラフェン膜の光学写真を明確に示しています。 / Si基板、グラフェンの優れた透明性を示します。グラフェン/ SiO ₂ 図2bに示すように、電界放出型走査電子顕微鏡（Quanta 200 FEI）によって特徴づけられました。 SEM画像は、グラフェンが連続的であり、クラックやウィンクルがほとんどなく、基板上に均一に転写されたことを示しています。さらに、ラマン分光法（514 nmレーザー励起）は、転写されたグラフェンの品質を評価するために一般的に使用されます。図2cは、SiO ₂ 上のグラフェンの典型的なラマンスペクトルを示しています。 / Si基板。 1349 cm ^-1 にある目立たないDピーク 、Gおよび2Dピークは、1587および2685 cm ^-1 ではっきりと観察できます。 2.19の2D / G比で。 Dピークの強度が低いことは、転送プロセス中に追加の欠陥がほとんど生成されなかったことを示しています。 2Dピークは、比率I _G で狭くなっています。 / I _2D 0.5未満。これは、単層グラフェンの基本的な機能を示しています。ラマンスペクトルの結果は、最適化された化学移動法によるグラフェンの高品質と連続性を示しています。

グラフェンベースのナノスケール真空チャネルトランジスタの製造

図3は、グラフェンベースのナノスケール真空チャネルトランジスタの製造プロセスを示しています。まず、100 nm SiO ₂ 絶縁体はPECVD（プラズマ化学気相成長法）法によって堆積され、続いてグラフェン化学物質が基板上に転写されました。金の接点は、電子ビーム蒸着（5 nmCrおよび80nm Au）とそれに続くリフトオフプロセスによってグラフェン上に堆積されました。グラフェンの表面にPMMAをスピンコーティングした後、標準のEBL（Vistec、EBPG 5000plus ES）とそれに続くO ₂ によってナノ真空チャネルを形成しました。 -プラズマエッチング。ナノギャップは、グラフェン膜を2つに分割するように配置されました。サンプルは、アセトン、イソプロピルアルコール、および脱イオン水でそれぞれ洗浄されました。最後に、サンプルは、水素（40 sccm）とアルゴン（100 sccm）を流しながら、300°Cで1時間のアニーリングによって処理されました。図4aは、グラフェンエミッターとコレクターの両側にAu接点がある、グラフェンベースのNVCTのSEM画像を示しています。また、図4bは、NVCTの拡大図を示しており、電子がナノギャップを介して弾道輸送できるようにする約90nm幅の真空チャネルを示しています。

グラフェンベースのナノスケール真空チャネルトランジスタの製造プロセスの概略図

Au接点を備えたグラフェンベースのNVCTのSEM画像（ a ）。 〜90 nmの真空チャネルのズームイン（ b ）

結果と考察

真空ナノチャネルを介した電子輸送のメカニズムを研究するために、SEMの真空チャンバー（ベース圧力〜10 ^-4 ）内のナノマニピュレーターを使用して、その場での電界放出測定を実行します。 Pa）、図5aに示すように。ナノマニピュレーターシステムは、真空環境での電界放出をリアルタイムで観察および測定するために開発されました。これは、SEMチャンバー内のプローブステーションと見なすことができ、サンプルの位置を特定またはテストすることができます。また、その場試験法は、グラフェンベースのNVCTの電気的特性をより客観的に反映し、ナノギャップ構造の設計に役立つ可能性があります。ナノマニピュレーターは、円筒形のタングステンマイクロチップを備えており、Keithly2400デジタルソースメジャーユニットに接続されています。グラフェンの真空破壊と損傷を回避するために、テストプロセス中に10μAの電流制限が課されました。分離したグラフェンフィルムの間にバイアスをかけ、0.1 Vの電圧ステップで手動で増加させ、電子がグラフェンのエッジから横方向に放出されるようにしました。

グラフェンベースの真空ナノチャネルトランジスタ（ a ）のその場電界放出測定 ）。 V でのグラフェンベースのNVCTのバンド図 _g < V _しきい値 および V _g > V _しきい値 （ b 、 c ）

図5b、cは、それぞれオン状態とオフ状態でのグラフェンベースのNVCTのバンド図を示しています。一般に、バックゲートに印加されるゲート電圧は、エミッターとコレクターの間の真空バリアを変調する可能性があります。ゲート電圧がしきい値電圧よりも低い場合、バリアが広すぎて低エネルギー電子のフィールドトンネリングができません。また、電子は、SiO ₂ 上の不純物による散乱を受ける可能性があります。 表面とエミッタの欠点に閉じ込められました。ゲート電圧がしきい値電圧を超えて増加すると、それに応じてバリアの幅が圧縮されます。電子は、F-Nトンネリングを介して狭くなった障壁を乗り越え、NVCTのオン状態につながる可能性があります。さらに、単層グラフェンの電気伝導率はゲート電圧によって変調できるため、ゲート電圧によるグラフェンエネルギーバンドの調整可能性も別の要因となる可能性があります。ゲート電圧が上昇すると、フェルミ準位E _F 伝導帯にシフトすることで、グラフェン表面の電子密度を高め、発光電流を改善します。

電気特性をさらに調査し、グラフェンベースのNVCTのアプリケーションを拡張するために、出力（V _c 対I _c ）および転送（V _g 対I _c ）それぞれ図6a、bに示すように、特性が調査されます。典型的なグラフェンベースの電界効果トランジスタ（FET）と同様に、グラフェンベースのNVCTは、ゲート電圧によってオフ状態またはオン状態で変調できます。図6aは、ゲート電圧 V での一般的な出力特性を示しています。 _g 0から15Vに増加します。明らかな電子放出がないことがわかります I _c V のときに測定されました _g はしきい値電圧未満であり、NVCTがオフ状態にあることを示します。 V として _g 増加してしきい値電圧を超えると、NVCTは I のオン状態に切り替わります。 _c コレクタ電圧 V で指数関数的に成長します _c 。 V による伝達特性 _c =7.5 Vは、図6bにそれぞれライナー（赤い線）と指数（黒い線）のスケールで示されています。しきい値電圧は約6Vで、コレクター電圧は7.5 Vに固定されており、 I _c V の場合、急速に成長します _g しきい値電圧よりも大きいです。また、指数スケールでプロットされた曲線（黒い線）は、10 ² を超えるオン/オフ比を示しています。 、バンドギャップがないため、固有のグラフェンFETよりも優れています。魏ら。電子放出特性は、グラフェンの表面トポグラフィーまたはエミッターからコレクターまでの距離に関連していると仮定します[12]。したがって、ナノギャップ幅をさらに狭めるか、構造を変更することで、オン/オフ電流比と電子放出を強化できる可能性があります。

V _g での出力特性 0〜15 V（ a ）。伝達特性は、10 ² を超えるオン/オフ比を示しています。 （ b ）。グラフェンベースのNVCTの漏れ電流（ c ）。さまざまな真空度での安定性テスト（ d ）。挿入図は、安定したテスト後の表面形状の変化を示しています

絶縁体からの電子放出の可能性を排除するために、測定中に漏れ電流も検出します。厚さ100nmのSiO ₂ により、リーク電流は低く、無視できる程度（0.5 nA未満）が観察されます。 インシュレータ。ただし、バックゲート構造では、絶縁体がデバイスで重要な役割を果たします。薄い絶縁体はバックゲートの変調能力を高めることができますが、絶縁体は故障を避けるのに十分な強度が必要です。その結果、Al ₂ を利用するなど、絶縁体の材料を最適化して厚さを減らし、破壊強度を向上させます。 O ₃ またはHfO ₂ High-kゲート絶縁体[26,27,28,29,30,31]として、NVCTの電気的性能を実際に向上させることができます。さらに、さまざまな真空度でのNVCTの安定性テストを、固定コレクターとゲート電圧をそれぞれ7.5Vと15Vに設定して図6dに示します。グラフェンの高い熱伝導率により、ジュール熱による放出電流の減少が弱まり、〜10 ^-4 の真空度で明らかな劣化や変動は見られません。 Pa。ただし、低真空ではゆっくりとした電流の減少が観察されます（〜10 ^-1 Pa）。挿入図は、安定性試験後のグラフェン表面の破壊と亀裂を明確に示しています。ジュール熱はグラフェンエミッターで凝集し、表面形態を損傷し、低真空での放出電流の劣化につながると考えられています[32、33]。今後の作業で解決され、グラフェンベースのNVCTの適用範囲と機会が広がることを願っています。

さまざまなタイプまたは材料に基づくナノスケール真空チャネルトランジスタの性能を比較するために、チャネル幅、動作電圧、動作電流、オン/オフ比、ゲート電流、および安定性テストを表1に示します。明らかに、Siベースの真空チャネルトランジスタ（バックゲートおよびゲートオールアラウンド）は、グラフェンベースのデバイスよりも優れた性能を示します。ゲート電流を比較すると、グラフェンベースのNVCTのエネルギー消費量が他のデバイスよりも優れていることがわかります。一方、90 nm幅の真空チャネルにより、真空デバイスのサイズを縮小し、複数の機能を備えたオンチップNVCTを実現できます。ただし、デバイスのオン/オフ比または動作電流のパフォーマンスは他の構造よりもはるかに遅れており、製造プロセスと構造パラメータの最適化をさらに改善する必要があります。将来の出版物で発表されることを願っています。

結論

結論として、グラフェンベースのNVCTは、標準のCMOSプロセスで正常に製造されました。超音波を利用してSiO ₂ を洗浄しました 2cm×2cmのグラフェン膜を連続的に基板に転写できる従来の湿式転写法に基づくポストアニーリングプロセスを備えた/ Si基板。 NVCTの電気的特性を調査した。ゲート電圧を変調することにより、NVCTをオフ状態からオン状態に切り替えることができ、最大10 ² のオン/オフ電流比を示します。 動作電圧が低く（<20 V）、漏れ電流が（<0.5 nA）あります。構造最適化によるグラフェンベースのNVCTのさらなる改善は、最新の真空ナノエレクトロニクスの高速、高信頼性、および低コストのアプリケーションへの道を開く可能性があります。

略語

CVD：

化学蒸着

EBL：

電子ビームリソグラフィー

FET：

電界効果トランジスタ

FIB：

集束イオンビーム

IC：

集積回路

NVCT：

ナノスケール真空チャネルトランジスタ

PECVD：

プラズマ化学気相成長法

PMMA：

ポリメチルメタクリレート

SEM：

走査型電子顕微鏡