Grafenelektronik:Enkelttrinsteknik producerer både P-type og N-type doping til fremtidige enheder

(PhysOrg.com) -- En simpel et-trins proces, der producerer både n-type og p-type doping af grafenoverflader med stort areal kunne lette brugen af ​​det lovende materiale til fremtidige elektroniske enheder. Dopingteknikken kan også bruges til at øge ledningsevnen i grafen nanobånd, der bruges til sammenkoblinger.

Ved at anvende et kommercielt tilgængeligt spin-on-glass (SOG) materiale på grafen og derefter udsætte det for elektronstrålestråling, forskere ved Georgia Institute of Technology skabte begge typer doping ved blot at variere eksponeringstiden. Højere niveauer af e-beam energi produceret p-type områder, mens lavere niveauer producerede n-type områder.

Teknikken blev brugt til at fremstille højopløselige p-n-kryds. Når den er korrekt passiveret, dopingen skabt af SOG forventes at forblive på ubestemt tid i de grafenark, som forskerne har studeret.

"Dette er et muliggørende skridt mod at muliggøre komplementære metaloxidgrafentransistorer, " sagde Raghunath Murali, en senior forskningsingeniør i Georgia Techs Nanotechnology Research Center.

Et papir, der beskriver teknikken, vises i denne uge i journalen Anvendt fysik bogstaver. Forskningen blev støttet af Semiconductor Research Corporation og Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) gennem Interconnect Focus Center.

I den nye dopingproces, Murali og kandidatstuderende Kevin Brenner begynder med at fjerne flager af grafen et til fire lag tykt fra en grafitblok. De placerer materialet på en overflade af oxideret silicium, fabriker derefter en fire-punkts kontaktenhed.

Næste, de spinder på film af hydrogensilsesquoxan (HSQ), hærd derefter visse dele af den resulterende tynde film ved hjælp af elektronstrålestråling. Teknikken giver præcis kontrol over mængden af ​​stråling og hvor den påføres grafen, med højere niveauer af energi svarende til mere tværbinding af HSQ.

"Vi gav forskellige doser af elektronstrålestråling og undersøgte derefter, hvordan det påvirkede egenskaberne af bærere i grafengitteret, Murali sagde. "E-strålen gav os et fint udvalg af kontrol, der kunne være værdifuldt til fremstilling af enheder i nanoskala. Vi kan bruge en elektronstråle med en diameter på fire eller fem nanometer, der tillader meget præcise dopingmønstre."

Elektroniske målinger viste, at en grafen-p-n-junction skabt af den nye teknik havde store energiadskillelser, indikerer stærke dopingeffekter, han tilføjede.

Forskere andre steder har demonstreret grafen-doping ved hjælp af en række forskellige processer, herunder at lægge materialet i blød i forskellige opløsninger og udsætte det for en række forskellige gasser. Georgia Tech-processen menes at være den første, der giver både elektron- og huldoping fra et enkelt dopingmateriale.

Dopingprocesser, der anvendes til grafen, vil sandsynligvis være væsentligt forskellige fra dem, der er etableret for siliciumbrug, sagde Murali. I silicium, dopingtrinnet erstatter atomer af et andet materiale med siliciumatomer i materialets gitter.

I den nye enkelttrinsproces for grafen, dopingen menes at indføre brint- og oxygenatomer i nærheden af ​​kulstofgitteret. Ilt og brint erstatter ikke kulstofatomer, men i stedet indtager placeringer oven på gitterstrukturen.

"Energi påført SOG bryder kemiske bindinger og frigiver brint og oxygen, som binder sig til kulstofgitteret, Murali sagde. "En høj e-beam energi konverterer hele SOG strukturen til mere af et netværk, og så har du mere ilt end brint, resulterer i en p-type doping."

I volumenproduktion, elektronstrålestrålingen ville sandsynligvis blive erstattet af en konventionel litografiproces, sagde Murali. Variering af reflektansen eller transmissionen af ​​maskesættet ville kontrollere mængden af ​​stråling, der når SOG, og det ville afgøre, om n-type eller p-type områder oprettes.

"Ved at lave alt i et enkelt trin ville du undgå nogle af de dyre litografiske trin, " sagde han. "Gråskala litografi ville tillade fin kontrol af doping på tværs af hele overfladen af ​​waferen."

Til doping af bulkområder såsom sammenkoblinger, der ikke kræver mønstre, forskerne belægger simpelthen området med HSQ og udsætter det for en plasmakilde. Teknikken kan gøre nanobåndene op til 10 gange mere ledende end ubehandlet grafen.

Fordi HSQ allerede er kendt for mikroelektronikindustrien, en-trins tilgangen til doping kan hjælpe med at integrere grafen i eksisterende processer, undgå en afbrydelse af det massive halvlederdesign og -fabrikationssystem, Murali bemærkede.

I løbet af de sidste to år, forskere i Nanotechnology Research Center havde observeret ændringer forårsaget af anvendelse af HSQ under elektrisk test. Først for nylig kiggede de nærmere på, hvad der skete, for at forstå, hvordan man kunne udnytte fænomenet.

For fremtiden, de vil gerne bedre forstå, hvordan processen fungerer, og om andre polymerer kan give bedre resultater.

"Vi er nødt til at have en bedre forståelse af, hvordan man kontrollerer denne proces, fordi variabilitet er et af de problemer, der skal kontrolleres for at gøre fremstilling mulig, Murali forklarede. "Vi forsøger at identificere andre polymerer, der kan give bedre kontrol eller stærkere dopingniveauer."