Kami melaporkan fabrikasi dan kinerja listrik transistor saluran vakum skala nano (NVCT) berdasarkan graphene. Saluran nano vakum selebar sembilan puluh nanometer dapat dibuat dengan tepat dengan proses litografi berkas elektron standar. Optimalisasi dan perawatan kerusakan permukaan dan residu perekat pada graphene dilakukan dengan pembersihan ultrasonik dan anil termal. Selain itu, karakteristik listrik in situ langsung dilakukan di dalam ruang vakum mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan nanomanipulator. Dengan memodulasi tegangan gerbang, NVCT dapat dialihkan dari keadaan mati ke keadaan aktif, menunjukkan rasio arus hidup/mati hingga 10 2 dengan tegangan kerja rendah (< 20 V) dan arus bocor (< 0,5 nA). Selain itu, saluran vakum skala nano dapat memungkinkan untuk memperkecil ukuran perangkat vakum dengan integrasi tinggi, menjadikan NVCT kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi kecepatan tinggi.
Sebagai teknologi berbasis Si tradisional secara bertahap mencapai batas minimal, banyak upaya telah dilakukan dalam struktur nano baru atau bahan berdimensi rendah [1,2,3,4,5,6,7]. Di antara isu-isu yang menonjol, transistor terdiri dari saluran vakum nano atau dikenal sebagai nanogap telah terus menarik perhatian [8,9,10]. Berbeda dari tabung vakum awal dengan konsumsi daya tinggi dan kesulitan untuk integrasi tinggi, struktur nanogap lebih prospektif untuk nanoelektronika modern. Untuk transistor efek medan konvensional (FET), pembawa mungkin bertabrakan dengan fonon optik dan akustik selama pengangkutan. Juga, FET berbasis graphene intrinsik ditemukan memiliki rasio arus on-off kurang dari 10 karena kurangnya celah pita, yang tidak cocok untuk sirkuit logika terintegrasi modern. Pada dasarnya, elektron dapat melakukan perjalanan balistik melalui saluran vakum skala nano saat mengalami tabrakan atau hamburan di semikonduktor. Dan perangkat nano vakum dapat kompatibel dengan proses silikon standar dan menggabungkan keunggulan transportasi balistik dengan miniaturisasi dan integrasi. Dengan demikian, transistor saluran vakum skala nano (NVCT) dapat menghasilkan frekuensi tinggi [9, 11], rasio on/off [12], atau respon temporal cepat [13] dengan tegangan kerja rendah. Lebih penting lagi, NVCT terbukti mempertahankan keunggulan tabung vakum tradisional yang beroperasi secara normal dalam kondisi ekstrim, seperti paparan radiasi pengion atau suhu tinggi [8]. Perkembangan teknologi manufaktur dapat membuka peluang besar untuk menciptakan saluran vakum skala nano, yang mungkin kompatibel dengan sirkuit terintegrasi (IC) modern.
Akibatnya, banyak upaya telah dilakukan untuk menurunkan skala saluran vakum menjadi nanogap dan membangun tiga persimpangan terminal. Misalnya, struktur vertikal banyak digunakan dalam perangkat elektronik vakum tradisional [14, 15]. Para peneliti telah mengusulkan berbagai jenis NVCT vertikal, di mana elektron dapat memancarkan langsung keluar dari bidang, misalnya, transistor vakum tipe celah [16], atau NVCT tipe Spindt [17]. Namun, struktur vertikal hampir tidak kompatibel dengan proses CMOS. Dibandingkan dengan struktur atas-bawah, NVCT planar lebih prospektif untuk integrasi masa depan karena celah nano bervariasi dengan tata letak topeng, termasuk litografi berkas elektron (EBL) [18], berkas ion terfokus (FIB) [19], atau pencetakan nano [20 ]. Baru-baru ini, transistor vakum tipe planar dengan saluran nanogap telah dibuat dengan pemrosesan semikonduktor tradisional. Meyyappan dkk. mendemonstrasikan transistor saluran nano vakum gerbang belakang dengan pemrosesan semikonduktor silikon standar, menunjukkan karakteristik switching frekuensi tinggi dengan arus bocor yang dapat diabaikan [9]. Untuk meningkatkan kemampuan kontrol gerbang, mereka lebih lanjut membuat NVCT gerbang-surround yang terdiri dari saluran vakum sub-50 nm, dan perangkat ini terbukti tahan terhadap radiasi pengion (proton dan sinar Gamma) dan suhu tinggi (200 °C) [8]. Wei dkk. berhasil membuat transistor vakum berbasis graphene dengan kinerja listrik yang lebih baik daripada transistor solid-state berbasis graphene. Dengan rasio arus on/off yang unggul dan tegangan kerja yang rendah, graphene NVCT diharapkan dapat diterapkan di lingkungan yang parah seperti radiasi elektromagnetik atau suhu ekstrim [12]. Pekerjaan kami sebelumnya juga membuat array nanogap selaras sub-30 nm dengan tepat dengan proses yang terkontrol dengan baik [21]. Hasil eksperimen di atas menunjukkan bahwa perangkat nano vakum, terdiri dari saluran vakum skala nano, memiliki keunggulan kecepatan respons tinggi, tegangan operasi rendah, dan kinerja switching yang unggul dan, yang lebih penting, dapat kompatibel dengan proses silikon standar dan menggabungkan keuntungan transportasi balistik dengan miniaturisasi dan integrasi. Secara khusus, saluran nano yang lebih kecil dari jalur bebas rata-rata elektron dapat berperilaku sebagai vakum tanpa hamburan atau tumbukan. Dengan demikian, NVCT dapat berfungsi di lingkungan vakum rendah atau bahkan atmosfer, membuka jalan bagi generasi baru perangkat elektronik vakum berkinerja tinggi, berkecepatan tinggi, dan berbiaya rendah.
Di sini, kami melaporkan pembuatan NVCT berbasis graphene menggunakan metode transfer basah yang dioptimalkan dan pemrosesan EBL standar. Saluran nano vakum 90 nm telah dicapai dengan struktur gerbang belakang, yang dapat memodulasi medan listrik area pemancar dan transmisi elektron melalui emitor ke kolektor. Karakteristik listrik in situ dilakukan di ruang vakum mikroskop elektron pemindaian (SEM) dengan nanomanipulator, menunjukkan fungsionalitas dasar dengan rasio arus hidup/mati yang tinggi, tegangan kerja rendah, dan arus bocor. Yang terpenting, kami yakin bahwa pengurangan ukuran saluran lebih lanjut dapat memenuhi aplikasi kecepatan tinggi, keandalan tinggi, dan biaya rendah untuk elektronik modern.
Dalam laporan ini, graphene skala besar ditumbuhkan langsung pada foil Cu dengan deposisi uap kimia termal (CVD) pada 1020 °C dengan CH4 (20 sccm) dan H2 (40 sccm) (22). Di antara berbagai teknik transfer untuk graphene yang ditumbuhkan CVD, metode utama adalah transfer kimia menggunakan PMMA sebagai lapisan pendukung. Pertama, lapisan PMMA dilapisi spin pada film graphene/Cu dan dipanggang pada 100 °C selama 5 menit untuk memantapkan PMMA. Setelah etsa di FeCl3 :HCl:H2 larutan O (rasio massa molar 1:1:1) selama 90 menit, film PMMA/graphene yang tersisa dipindahkan dan direndam dalam air deionisasi selama 5 menit. Operasi pembersihan ini diulang empat atau lima kali untuk sepenuhnya menghilangkan residu larutan etsa. Kemudian, film PMMA/graphene dipindahkan ke SiO2 /Si substrat dan dikeringkan pada 100 °C selama 5 menit, menghilangkan sisa air antara membran dan substrat. Terakhir, sampel direndam dalam larutan aseton selama satu jam untuk menghilangkan lapisan pendukung PMMA.
Namun, kami mengamati bahwa proses transfer basah tradisional dapat menyebabkan retakan atau kerutan pada permukaan graphene dengan residu PMMA yang masif, yang dapat sangat mempengaruhi kinerja listrik setelahnya. Hasilnya, kami selanjutnya menggunakan ultrasound [23] untuk membersihkan SiO2 /Si substrat dengan proses pasca-annealing berdasarkan metode transfer basah tradisional, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Menggabungkan dengan perlakuan ultrasonik 1 jam (daya 100 W dan frekuensi 50 Hz), hidrofilisitas dan kerataan substrat ditingkatkan, sehingga membran graphene 2 cm × 2 cm dapat terus ditransfer ke substrat (Gbr. 2a). Selain itu, kami memperkenalkan proses anil pasca-termal [24, 25] untuk menghilangkan residu PMMA secara efektif, dengan aliran pencampuran Ar2 (100 sccm) dan H2 (40 sccm) pada 300 °C selama 3 jam. Detail dan pembahasan proses pengoptimalan ditampilkan di File tambahan 1.
Proses transfer kimia graphene tanpa anil dalam mengurangi atmosfer. Sisipannya adalah foto optik graphene yang ditransfer pada SiO2 /Si substrat dengan (kanan) atau tanpa (kiri) anil, masing-masing
Foto optik 2 × 2 cm 2 graphene pada SiO2 /Si substrat (a ). Gambar SEM dari graphene yang ditransfer (b ). Spektrum Raman khas yang menunjukkan fitur dasar graphene (c )
Gambar 2a dengan jelas menunjukkan foto optik dari film graphene 2 cm × 2 cm yang dihasilkan pada SiO2 /Si substrat, menunjukkan transparansi graphene yang sangat baik. Grafena/SiO2 dicirikan oleh mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (Quanta 200 FEI), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Gambar SEM menunjukkan bahwa graphene terus menerus dan ditransfer secara seragam ke substrat dengan sedikit retakan atau kedipan. Selain itu, spektroskopi Raman (eksitasi laser 514-nm) biasanya digunakan untuk mengevaluasi kualitas graphene yang ditransfer. Gambar 2c menunjukkan spektrum Raman khas graphene pada SiO2 /Si substrat. Dengan puncak D yang tidak mencolok terletak di 1349 cm −1 , puncak G dan 2D dapat diamati dengan jelas pada 1587 dan 2685 cm −1 dengan rasio 2D/G 2,19. Intensitas rendah dari puncak D menunjukkan bahwa beberapa cacat tambahan dihasilkan selama proses transfer. Puncak 2D sempit dengan rasio IG /I2D di bawah 0,5, yang menunjukkan fitur dasar graphene satu lapis. Hasil spektrum Raman menunjukkan kualitas tinggi dan kontinuitas graphene dengan metode transfer kimia kami yang dioptimalkan.
Gambar 3 mengilustrasikan proses fabrikasi transistor saluran vakum skala nano berbasis graphene. Pertama, SiO 100-nm2 isolator diendapkan dengan metode PECVD (plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), dengan bahan kimia graphene ditransfer ke substrat selanjutnya. Kontak emas diendapkan pada graphene dengan penguapan berkas elektron (5 nm Cr dan 80 nm Au) dengan proses pengangkatan berikutnya. Setelah PMMA spin-coated pada permukaan graphene, saluran nano-vakum dibentuk oleh EBL standar (Vistec, EBPG 5000plus ES) dengan diikuti O2 -penggoresan plasma Nanogap diposisikan untuk memotong membran graphene menjadi dua bagian. Sampel dibersihkan dengan aseton, isopropil alkohol, dan air deionisasi, masing-masing. Terakhir, sampel diproses melalui annealing selama 1 jam pada suhu 300 °C dengan aliran hidrogen (40 sccm) dan argon (100 sccm). Gambar 4a menunjukkan gambar SEM NVCT berbasis graphene, dengan kontak Au di kedua sisi emitor dan kolektor graphene. Dan Gambar. 4b menunjukkan zoom-in NVCT, yang menunjukkan saluran vakum dengan lebar sekitar 90 nm yang memungkinkan elektron melakukan transpor balistik melalui celah nano.
Diagram skema dari proses fabrikasi transistor saluran vakum skala nano berbasis graphene
Gambar SEM NVCT berbasis graphene dengan kontak Au (a ). Zoom-in saluran vakum ~ 90 nm (b )
Untuk mempelajari mekanisme transpor elektron melalui saluran nano vakum, pengukuran emisi lapangan in-situ dilakukan dengan nanomanipulator di ruang vakum SEM (tekanan dasar ~ 10 −4 Pa), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a. Sistem nanomanipulator dikembangkan untuk pengamatan real-time dan pengukuran emisi lapangan di lingkungan vakum, yang dapat dianggap sebagai stasiun probe di dalam ruang SEM dan memungkinkan untuk menemukan atau menguji sampel. Juga, metode uji in situ dapat mencerminkan sifat listrik NVCT berbasis graphene secara lebih objektif dan melayani desain struktur nanogap dengan lebih baik. Nanomanipulator dilengkapi dengan mikrotip tungsten berbentuk silinder dan terhubung ke unit pengukur sumber digital Keithely 2400. Untuk menghindari kerusakan vakum dan kerusakan graphene, batas arus 10 μA diberlakukan selama proses pengujian. Bias diterapkan antara film graphene yang dipisahkan dan ditingkatkan secara manual pada langkah tegangan 0,1 V, sehingga elektron dipancarkan secara lateral dari tepi graphene.
Pengukuran emisi medan in-situ dari transistor saluran nano vakum berbasis graphene (a ). Diagram pita NVCT berbasis graphene di V g < V ambang dan V g> V ambang (b , c )
Gambar 5b, c menunjukkan diagram pita NVCT berbasis graphene masing-masing pada status aktif dan nonaktif. Umumnya, tegangan gerbang yang diterapkan pada gerbang belakang dapat memodulasi penghalang vakum antara emitor dan kolektor. Ketika tegangan gerbang kurang dari tegangan ambang batas, penghalang terlalu luas untuk terowongan medan untuk elektron berenergi rendah. Juga, elektron mungkin menerima hamburan oleh pengotor pada SiO2 permukaan dan terjebak pada kelemahan emitor. Saat tegangan gerbang meningkat melampaui tegangan ambang, lebar penghalang dikompresi sesuai. Elektron dapat mengatasi penghalang yang menyempit melalui tunneling F-N, yang mengarah ke status NVCT. Selain itu, tunabilitas pita energi graphene oleh tegangan gerbang dapat menjadi kontribusi lain, karena konduktivitas listrik graphene lapisan tunggal dapat dimodulasi oleh tegangan gerbang. Saat tegangan gerbang meningkat, level Fermi EF bergeser ke pita konduksi, dengan demikian, meningkatkan kerapatan elektron permukaan graphene dan meningkatkan arus emisi.
Untuk mengeksplorasi lebih lanjut sifat listrik dan memperluas aplikasi NVCT berbasis graphene, output (Vc vs. sayac ) dan transfer (Vg vs. sayac ) karakteristik diselidiki, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, b, masing-masing. Mirip dengan transistor efek medan berbasis graphene (FETs), NVCT berbasis graphene dapat dimodulasi dalam keadaan off-state atau on-state oleh tegangan gerbang. Gambar 6a mengilustrasikan karakteristik keluaran tipikal dengan tegangan gerbang V g meningkat dari 0 menjadi 15 V. Terlihat bahwa tidak ada emisi elektron yang jelas I c diukur ketika V g kurang dari tegangan ambang, menunjukkan bahwa NVCT dalam keadaan tidak aktif. Sebagai V g meningkat dan melebihi tegangan ambang, NVCT beralih ke status aktif yang I c menunjukkan pertumbuhan eksponensial dengan tegangan kolektor V c . Karakteristik transfer dengan V c = 7.5 V ditunjukkan pada Gambar. 6b dalam skala liner (garis merah) dan skala eksponensial (garis hitam). Kita dapat melihat bahwa tegangan ambang sekitar 6 V dengan tegangan kolektor tetap sebesar 7,5 V, dan I c tumbuh dengan cepat ketika V g lebih besar dari tegangan ambang. Juga, kurva yang diplot dalam skala eksponensial (garis hitam) menunjukkan rasio hidup/mati melebihi 10 2 , yang lebih unggul dari FET graphene intrinsik karena kurangnya celah pita. Wei dkk. mengandaikan bahwa sifat emisi elektron berhubungan dengan topografi permukaan graphene atau jarak dari emitor ke kolektor [12]. Dengan demikian, penyempitan lebih lanjut dari lebar celah nano atau memodifikasi struktur dapat memungkinkan untuk meningkatkan rasio arus hidup/mati dan emisi elektron.
Karakteristik keluaran dengan Vg dari 0 hingga 15 V (a ). Karakteristik transfer menunjukkan rasio hidup/mati melebihi 10 2 (b ). Arus bocor NVCT berbasis graphene (c ). Uji stabilitas pada derajat vakum yang berbeda (d ). Inset menunjukkan perubahan geometri permukaan setelah pengujian stabil
Untuk mengesampingkan kemungkinan emisi elektron melalui isolator, kami juga mendeteksi arus bocor selama pengukuran. Arus bocor yang rendah dan dapat diabaikan (kurang dari 0,5 nA) diamati, karena SiO2 setebal 100 nm2 isolator. Namun, dengan struktur gerbang belakang, isolator memainkan peran penting dalam perangkat. Isolator yang tipis dapat meningkatkan kemampuan modulasi gerbang belakang sedangkan isolator harus cukup kuat untuk menghindari kerusakan. Akibatnya, mengoptimalkan bahan isolator untuk mengurangi ketebalan dan meningkatkan kekuatan tembus, misalnya, memanfaatkan Al2 O3 atau HfO2 sebagai isolator gerbang k tinggi [26,27,28,29,30,31], memang dapat meningkatkan kinerja listrik NVCT. Selain itu, uji stabilitas NVCT pada derajat vakum yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 6d dengan kolektor tetap dan tegangan gerbang yang ditetapkan masing-masing sebesar 7,5 V dan 15 V. Dengan konduktivitas termal yang tinggi dari graphene, penurunan arus emisi yang disebabkan oleh pemanasan Joule melemah, tidak menunjukkan degradasi dan fluktuasi yang jelas pada tingkat vakum ~ 10 −4 Pa. Namun, pengurangan arus perlahan diamati dalam vakum rendah (~ 10 −1 Pa). Inset dengan jelas menunjukkan retakan dan retakan pada permukaan graphene setelah uji stabilitas. Diperkirakan bahwa panas Joule berkumpul di emitor graphene dan merusak morfologi permukaan, yang menyebabkan degradasi arus emisi dalam vakum rendah [32, 33]. Kami berharap dapat diselesaikan dalam pekerjaan lebih lanjut, sehingga memperluas cakupan aplikasi dan kesempatan NVCT berbasis graphene.
Untuk membandingkan kinerja transistor saluran vakum skala nano berdasarkan jenis atau bahan yang berbeda, lebar saluran, tegangan operasi, arus kerja, rasio on/off, arus gerbang, dan uji stabilitas tercantum dalam Tabel 1. Jelas, vakum berbasis Si transistor saluran (back-gate dan gate-all-around) menggambarkan kinerja yang lebih baik daripada perangkat berbasis graphene. Dengan membandingkan arus gerbang, dapat dilihat bahwa konsumsi energi NVCT berbasis graphene kami lebih unggul dari perangkat lain. Sementara itu, saluran vakum dengan lebar 90 nm memungkinkan untuk memperkecil ukuran perangkat vakum dan memenuhi NVCT on-chip dengan berbagai fungsi. Namun, kinerja rasio on/off atau arus kerja perangkat kami jauh tertinggal dengan struktur lain dan masih perlu perbaikan lebih lanjut pada optimalisasi proses fabrikasi dan parameter struktur. Kami berharap dapat disajikan dalam publikasi yang akan datang.
Kesimpulannya, NVCT berbasis graphene berhasil dibuat dengan proses CMOS standar. Kami menggunakan ultrasound untuk membersihkan SiO2 /Si substrat dengan proses pasca-anil berdasarkan metode transfer basah tradisional sehingga membran graphene 2 cm × 2 cm dapat terus ditransfer ke substrat. Sifat listrik NVCT diselidiki. Dengan memodulasi tegangan gerbang, NVCT dapat dialihkan dari keadaan mati ke keadaan aktif, menunjukkan rasio arus hidup/mati hingga 10 2 dengan tegangan kerja rendah (< 20 V) dan arus bocor (< 0,5 nA). Peningkatan lebih lanjut dari NVCT berbasis graphene dengan optimasi struktur dapat membuka jalan bagi aplikasi kecepatan tinggi, keandalan tinggi, dan biaya rendah untuk nanoelektronik vakum modern.
Deposisi uap kimia
Litografi berkas elektron
Transistor efek medan
Sinar ion terfokus
Sirkuit terintegrasi
Transistor saluran vakum skala nano
Deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma
Polimetil metakrilat
Pemindaian mikroskop elektron
bahan nano
Jika Anda seorang penggemar listrik, kemungkinan besar Anda akan menemukan BC547 dengan cara yang berbeda. Di sini, kita akan membahas semua yang perlu diketahui tentang transistor BC547. Apakah Anda tertarik untuk mempelajari lebih lanjut tentang topik tersebut? Anda telah datang ke tempat yang t
Transistor adalah perangkat semikonduktor yang digunakan untuk memperkuat atau menghasilkan sinyal listrik. Oleh karena itu, mereka dapat bekerja pada aplikasi aplikasi aplikasi arus searah atau bolak-balik. Artikel ini akan membantu Anda mempelajari lebih lanjut tentang transistor s8550. Apa itu t
Aktuator vakum adalah mekanisme yang memasok gaya switching atau aktivasi ke perangkat sekunder melalui gerakan piston atau diafragma internal yang diinduksi vakum. Aktuator ini biasanya ditemukan pada mesin atau proses yang menghasilkan vakum selama operasi, seperti mesin mobil. Aktuator vakum terd
Filtrasi vakum adalah metode pemisahan yang digunakan untuk menghilangkan padatan dari cairan. Umumnya padatan dilarutkan dalam larutan. Solusinya bisa tak jenuh, jenuh, atau lewat jenuh — perbedaannya adalah konsentrasi padatan dalam cairan. Filter digunakan untuk memisahkan padatan dari cairan, da
