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Unidad de Cultura Científica

Confección post-fabricación a medida de transistores MoS2-FET

09/09/2019
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Dispositivo MoS2 FET antes y después de su modificación por el método pulsed-focused electron beam induced etching, con unn canal de conducción adaptado a medida

La fabricación de dispositivos electrónicos a partir de materiales 2D exfoliados puede ser complicada. El grupo de Daniel Granados en IMDEA Nanociencia ha diseñado una solución que consiste en la modificación posterior a la fabricación de transistores MoS2-FET que utiliza el grabado inducido por haz de electrones pulsado.

Los dicalcogenuros de metales de transición son capas 2D de espesor atómico unidas por fuerzas de Van der Waals. Estos materiales exhiben variaciones de sus propiedades físicas que dependen del espesor y que pueden ser explotadas en distintas aplicaciones optoelectrónicas. Por ejemplo, la estructura de bandas del disulfuro de molibdeno (MoS2) tiene un bandgap directo de 1.8 eV para una sola capa, que se reduce conforme aumenta el espesor del material, siendo 1.2 eV el ancho del bandgap del material tridimensional.

Las capas delgadas de MoS2 se pueden separar mediante exfoliación micromecánica; sin embargo, la fabricación de dispositivos optoelectrónicos a partir de MoS2 exfoliado es un proceso complejo por los siguientes motivos. La geometría del dispositivo está limitada en todos los casos por la forma del copo exfoliado (número de capas de MoS2, forma cuadrada, arbitraria, etc.), incluso cuando se emplea un método de estampado determinista. Incluso cuando se utilizan técnicas de deposición química de vapor, la fabricación del dispositivo se ve obstaculizada porque el material crece en islas con tamaños reducidos y diferentes propiedades físicas.

Por lo tanto, es de gran interés desarrollar técnicas para adaptar la geometría del dispositivo después de completar los pasos de fabricación. El grupo del profesor Daniel Granados en IMDEA Nanociencia ha llegado a una inteligente solución para modificar la geometría de varios transistores de efecto de campo (FET por sus siglas en inglés) fabricados a partir de MoS2 exfoliado. El método propuesto utiliza una variación del grabado químico inducido por haz de electrones enfocado con un haz de electrones pulsado (pulsed-FEBIE por sus siglas en inglés). El haz escanea la superficie a través de una geometría previamente diseñada con un generador de patrones, modifica el canal de conducción entre la fuente y el drenaje del transistor y permite un rendimiento a medida del dispositivo.

Al profesor Granados le gusta usar la analogía hidrodinámica: “Es como un flujo turbulento, después de pasar por una cierta apertura se vuelve laminar; nuestros canales de conducción adaptados permiten que los electrones pasen por áreas de los copos de MoS2 que tienen propiedades idénticas ".

El efecto de este método de modificación se ha estudiado más a fondo para verificar el rendimiento de los dispositivos modificados. El grupo de Granados ha encontrado que el 90% de los dispositivos funcionan después de su modificación por este método FEBIE pulsado. Además, estudiaron el cambio del dopaje que se produce del claramente tipo N al tipo intrínseco o ligeramente P, y atribuyeron este cambio a las vacantes de azufre que se creaban al grabar. El cambio de dopaje fue confirmado por estudios de fotoluminiscencia y espectroscopía Raman.

Este método presenta varias ventajas en comparación con los que utilizan varios pasos de fabricación. Primero, combina patronaje y grabado en un solo paso en lugar de tener un proceso de nanofabricación de dos pasos (patterning, etching). En segundo lugar, permite la caracterización electrónica y óptica antes y después de la modificación en un esquema simple. Por último, el FEBIE pulsado es un método químico que tiene una energía de haz de electrones más baja que otros estudios (2,5 kV) que reduce el daño en la muestra y evita la distorsión de la red de MoS2. Debido a estas ventajas, las "nanotijeras" propuestas por el grupo de Granados son una alternativa notable a las costosas y lentas técnicas de nanofabricación y tienen un gran potencial para la modificación post-fabricación de las propiedades eléctricas y geométricas de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.

Esta investigación es una colaboración entre investigadores del IMDEA Nanociencia (España), la Universidad de Hamburgo (Alemania), la Universidad de Lancaster (Reino Unido) y la Universidad Autónoma de Madrid (España), y ha sido cofinanciada por la Comunidad de Madrid, Ministerio Economía y Competitividad y la Comisión Europea (Graphene Core), así como el Programa Severo Ochoa para Centros de Excelencia otorgado a IMDEA Nanociencia (2017-2021).

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Referencia:

F. J. Urbanos et al. Electrical and geometrical tuning of MoS2 field effect transistors via direct nanopatterning. Nanoscale. 2019. DOI: 10.1039/C9NR02464F.


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