Flux-aidé diélectrophorèse : Une méthode Low Cost pour la Fabrication des dispositifs de nanofils traitable-Solution Haute Performance

Résumé

Dans cet article, écoulement diélectrophorèse assistée est démontrée pour l’auto-assemblage de nanofils périphériques. La fabrication d’un transistor à effet de champ nanofils silicium est indiquée à titre d’exemple.

Résumé

Diélectrophorèse flux-aidé (DEP) est un efficace auto-assemblage de méthode pour le contrôlable et reproductible positionnement, alignement et sélection de nanofils. DEP est utilisé pour des nanofils analyse, caractérisation et axée sur la solution de fabrication de dispositifs semi-conducteurs. La méthode fonctionne en appliquant un champ électrique alternatif entre les électrodes métalliques. La formulation de nanofils est ensuite déposée sur les électrodes qui sont sur une surface inclinée pour créer un flux de la formulation à l’aide de la gravité. Les nanofils puis alignent le long du gradient du champ électrique et dans le sens de l’écoulement du liquide. La fréquence du champ peut être ajustée pour sélectionner des nanofils à conductivité supérieure et plus faible densité de piège.

Dans cet ouvrage, DEP assistée par flux est utilisé pour créer des nanofils transistors à effet de champ. Flux-aidé DEP présente plusieurs avantages : il permet la sélection de nanofil propriétés électriques ; contrôle de nanofils longueur ; placement des nanofils dans des domaines spécifiques ; contrôle de l’orientation des nanofils ; et le contrôle de la densité des nanofils dans l’appareil.

La technique peut être étendue à beaucoup d’autres applications telles que les capteurs de gaz et micro-ondes commutateurs. La technique est efficace, rapide et reproductible, et il utilise une quantité minimale de solution diluée idéale pour l’essai de nouveaux nanomatériaux. Assemblée échelle Wafer de nanofils dispositifs peut également être obtenue en utilisant cette technique, permettant à un grand nombre d’échantillons pour les tests et applications électroniques de grande surface.

Introduction

Assemblée contrôlable et reproductible de nanoparticules dans des endroits prédéfinis de substrat est l’un des principaux défis à la solution-process électroniques et photoniques dispositifs utilisant des nanoparticules semi-conductrices ou conductrices. Pour les appareils de haute performance, il est également très bénéfique pour pouvoir sélectionner des nanoparticules avec tailles préférentiels et des propriétés électroniques particulières, y compris, par exemple, conductivité élevée et faible densité d’États de surface piège. Malgré des progrès importants dans la croissance de nanomatériaux, y compris les matériaux de nanofils et nanotubes, quelques variations des propriétés des nanoparticules sont toujours présentes, et une étape de sélection peut améliorer considérablement la performance de l’appareil à base de nanoparticules^{1 ,2}.

La méthode DEP flux-aidé a démontré dans ce travail vise à relever les défis ci-dessus en montrant contrôlables ensemble de nanofils semi-conducteurs sur contacts métalliques pour les transistors à effet de champ nanofil haute performance. DEP résout plusieurs problèmes de fabrication de dispositifs de nanofils en une seule étape, y compris le positionnement de nanofils, alignement et orientation des nanofils et sélection de nanofils avec propriétés souhaitées par la DEP signal fréquence sélection¹. DEP a été utilisé pour nombreux autres appareils allant de gaz capteurs³, les transistors¹, et^4,5, matrices de commutation RF pour le positionnement des bactéries pour analyse⁷.

DEP est la manipulation des particules polarisables via l’application d’un champ électrique de non-uniforme résultant en nanofils auto-assemblage à travers les électrodes⁸. La méthode a été initialement développée pour la manipulation des bactéries^9,10 , mais a depuis été étendue à la manipulation de nanofils et nanomatériaux.

Traitement solution DEP des nanoparticules permet la fabrication de dispositifs semi-conducteurs qui diffère sensiblement des techniques traditionnelles de descendante fondées sur plusieurs photomasking, implantation ionique, haute température¹⁴, recuit et gravure étapes. Étant donné que DEP manipule des nanoparticules qui ont déjà été synthétisés, c’est une technique de fabrication de basse température, de bas en haut¹¹. Cette approche permet aux périphériques de nanofils à grande échelle être assemblés sur presque n’importe quel substrat dont les substrats plastiques sensibles à la température, flexible^6,12,13.

Dans cet ouvrage, transistors à effet de champ haute performance p-type silicium nanofils sont fabriquées en utilisant des flux-aidé DEP et la caractérisation de courant-tension FET est menée. Les nanofils de silicium utilisées dans ce travail sont cultivées par les Super liquide liquide solide (PAFD) méthode^15,16. Les nanofils sont dopés intentionnellement et sont environ 10 à 50 µm de longueur et 30-40 nm de diamètre. La méthode de croissance PAFD est extrêmement séduisante, puisqu’il peut offrir à l’industrie quantités évolutives de nanofils matériaux¹⁵. La méthodologie de l’Assemblée de nanofils proposée est directement applicable à d’autres matériaux de nanofils semi-conducteurs comme InAs¹³, SnO₂³et GaN¹⁸. La technique peut aussi être étendue pour aligner les nanofils conducteurs¹⁹ et positionner des nanoparticules sur électrode lacunes²⁰.

Protocole

Mise en garde : Toutes les procédures à moins qu’autrement indiqué avoir lieu dans une salle propre environnement et risques des évaluations ont été menées pour assurer la sécurité pendant les nanofils et manutention des produits chimiques. Nanomatériaux peut-être avoir un certain nombre de conséquences sur la santé qui sont comme des encore inconnue et sorte doivent être manipulées avec des soins²¹.

Remarque : Le processus commence par la préparation des substrats, suivie par les premiers pas de dépôts de photolithographie et métal pour définir les contacts de la DEP. Les nanofils sont ensuite assemblés par DEP et une étape plus facultatif dépôts photolithographique et métallique peut être réalisée pour déposer le haut de la page contacts sur nanofils. Les caractéristiques courant-tension de nanofils transistor devices sont mesurés puis à l’aide d’un kit de caractérisation des semi-conducteurs.

1. préparation des substrats

1. Coupez une tranche de dioxyde de silicium/silicium dopé de type n en tailles appropriées, par exemple, 2,5 cm².
2. Pendant la découpe, s’assurer que la surface supérieure de la plaquette n’est pas touchée ou rayée.
3. Exécutez une pointe à tracer diamant sur toute la surface en un mouvement continu de pratiquer une coupe.
4. Diviser la plaquette le long de la coupe.
5. Placer les échantillons sur un porte-substrat et laisser agir pendant 5 min dans un bain à ultrasons à 100 % de puissance (450 W), d’abord à l’eau désionisée, puis l’acétone et enfin isopropanol (IPA).
   Remarque : Voir Table des matières pour les numéros CAS et leurs fournisseurs.
6. Sécher le substrat avec un pistolet d’azote pour lever les IPA ou poussière de la surface.
7. Cendres de plasma les échantillons dans le plasma d’oxygène à 100 W pendant 5 min pour éliminer tous les résidus organiques restants.

2. photolithographie bicouche processus pour les Contacts

Remarque : Un procédé de photolithographie bicouche est utilisé pour créer des électrodes. La photolithographie sont effectuées dans une chambre jaune pour prévenir la carie des matériaux de la résine photosensible.

1. Chauffer l’échantillon à 150 ° C pendant 15 min à l’aide d’une plaque de cuisson, pour enlever l’eau qui reste de la surface.
   Remarque : Il s’agit d’assurer l’adhérence de la résine photosensible ; Cependant des apprêts chimiques comme le HMDS peuvent également être utilisés.
2. Supprimer l’exemple de la plaque chauffante et placez-le sur un spin-coater.
3. À l’aide d’une pipette, déposer environ 1 mL de résine photosensible A sur la surface jusqu'à ce que la totalité de l’échantillon est uniformément couvert.
   Remarque : Consultez la Table des matières pour la photorésine exact utilisé.
4. Faire tourner l’échantillon à 4 000 tr/min pour 45 s, pour produire un film d’épaisseur d’environ 250 nm. Si les électrodes qui sont plus épais que 150 nm sont déposés, changer cette recette.
5. Retirer l’échantillon de l’essorage-coater et placez-le sur une plaque de cuisson à 150 ° C pendant 5 min.
6. Supprimer l’exemple de la table de cuisson et laisser l’échantillon pour se reposer pendant 5 min dans une zone d’humidité de 50 %. Il s’agit d’assurer la réhydratation de la résine photosensible²².
   Remarque : Si l’humidité du laboratoire est supérieure à 50 %, l’échantillon peut être laissé au repos dans l’air.
7. Placer l’échantillon sur le spin-coater et distribuer environ 1 ml de solution de résine photosensible B sur la surface du substrat.
8. Faire tourner l’échantillon à 3 500 tr/min pour 45 s, donnant une épaisseur de film d’environ 500 nm.
9. Placer l’échantillon sur une plaque de cuisson à 120 ° C pendant 2 min.
10. Supprimer l’exemple de la table de cuisson et le laisser se reposer dans une zone d’humidité de 50 % pendant 5 min.
11. Exposer l’échantillon à l’aide d’un masque-aligneur et photomasque à la lumière UV pour 6,7 s pour un total de 180 mJ de l’exposition.
    Remarque : La dose d’exposition exacte peut devoir être ajustée selon un modèle particulier d’aligneur de masque.
12. Retirer l’échantillon de l’aligneur de masque et de développer en l’immergeant dans photorésine developer pendant 30 s.
    Remarque : Consultez la Table des matières pour le développeur exact.
13. Supprimer l’exemple du développeur, plonger l’échantillon dans l’eau désionisée et rincez-le pour arrêter le processus de développement.
14. Vérifier la photolithographie à l’aide d’un microscope optique. Un polariseur peut servir à vérifier la contre-dépouille de la bicouche qui doit se présenter sous forme de lignes pâles autour du canal. Le temps peut être ajusté si trop ou deux sont peu inférieurs est atteint.

3. dépôts de Contacts métalliques

NOTE : Le dépôt électronique faisceau (E-beam) est utilisé pour déposer des électrodes sur la résine photosensible préparée. Ce processus permet également des évaporateurs thermiques ou autres types de techniques de déposition de couches minces métalliques.

1. Placer les échantillons dans la salle E-beam ; pompe vers le bas jusqu'à ce qu’un vide élevé est atteint. Dans ce cas, un vide d’environ 1 x 10^-6 mTorr est atteint.
2. Dépôt de 2 à 6 nm du titane qui agit comme une couche d’adhérence suivie de 30 nm d’or pour les contacts de la DEP.
3. Retirer les échantillons de la chambre de faisceau électronique.
4. Effectuez la procédure de décollage en supprimant la plupart des excès métal et résine photosensible. Cela se fait en plaçant les échantillons dans un bécher de photorésine remover pendant 15 min.
5. Enlever les échantillons du bécher de photorésine remover A et placer dans un autre bécher propre de photorésine remover pour un autre 15 min. Il s’agit d’empêcher les particules métalliques volumineuses de s’installer sur l’échantillon.
6. Déjaugeage complet par sonification le bécher pendant 5 min à 50 % de puissance.
7. Retirer les échantillons du bain un par un, assurant pour rincer tout matériel avec IPA pour empêcher les particules métalliques indésirables de s’installer entre les électrodes.
   Remarque : Les électrodes sont maintenant préparés pour l’alignement de la DEP de nanofils.

4. DEP de nanofils

1. Préparer une solution de silicium ou autres nanofils dans anisole d’environ 1 concentration µg/mL. Dans cette expérience, la solution est brièvement sonication pour 15 s à la puissance la plus faible réglage possible de supprimer une floculation. Autres solvants peuvent être utilisées comme le toluène et le N, N-diméthylformamide (DMF)¹.
2. Pour vérifier la solution goutte coulée une 10 µL de la formulation de nanofils sur un substrat sacrificiel.
3. Inspecter le substrat avec des nanofils déposés à l’aide d’un microscope optique polarisé (POM). Les nanofils de silicium sont biréfringents et par conséquent peuvent être facilement vu en POM. Si il n’y a aucun amas de nanofils visibles, et la plupart des nanofils est bien dispersée sur le substrat, alors peut commencer à l’étape suivante, sinon la solution est re-aux ultrasons et la concentration de nanofils peut devoir être ajustée. Cela peut prendre plusieurs tentatives pour obtenir la dispersion de nanofils correct.
4. Placez la plateforme de l’échantillon préparé avec électrodes sur 30° (vs horizon) inclinée avec le canal périphérique aligné horizontalement. Le sens d’écoulement de dispersion doit être perpendiculaire aux bords électrodes pour permettre un alignement des nanofils plus efficace.
5. Contact avec les électrodes à l’aide de sondes micro reliés à un générateur de fréquence¹.
6. Ensemble, que la fréquence et la tension sont sur le générateur de fréquences. Dans cette expérience, utiliser une tension de signal DEP de 10 V crête à crête et une sinusoïde à 1 MHz.
   NOTE : Augmentation de la fréquence jusqu'à 20 MHz peut aider à collecter des nanofils avec une conductivité élevée et piège à faible densité^1,2. Voir pour une discussion détaillée de référence¹ . DEP signal bande passante indiquée ici a été obtenu grâce au recours Si PAFD nanofils spectroscopie et collection temps analyse d’impédance, tel que décrit en référence¹. Autres types de nanofils avec mobilité de porteur de charge supérieure ou inférieure, dopée à nanofils ou obtenues par d’autres méthodes de croissance de nanofils peuvent avoir différente gamme de fréquences de signal DEP résultant dans la collection de nanofils de haute qualité.
7. Mise en marche le générateur de fréquences et déposez environ 10 µL de solution de nanofils à l’aide d’une micropipette sur la zone périphérique.
   NOTE : Placer l’échantillon à un angle (30°) permet de créer un flux lent et assistance gravitationnelle du liquide. Une action capillaire à l’aide d’une lame de verre peut également être utilisé⁶.
8. Appliquer le DEP signal pour 30 s et éteint puis le générateur de fréquences.
9. Supprimer l’exemple et rincer doucement avec IPA.
10. Sec-off l’échantillon très délicatement à l’aide d’un pistolet d’azote. Un microscope optique polarisé peut être utilisé pour inspecter l’échantillon et de régler les paramètres
    Remarque : La tension du signal DEP, la fréquence et la densité de dispersion nanofil est réglable pour atteindre une densité désirée reproductible de nanofils, de quelques nanofils à quelques centaines par dispositif^1,2.

5. le dépôt d’une couche métallique secondaire

1. Pour atteindre la meilleure injection de courant dans NW FETs, appliquer un deuxième contact métallique sur le dessus les nanofils.
   NOTE : Ce procédé de dépôt contact suit les étapes exactes mêmes comme des sections 2 et 3, en photolithographie et METALLISATION, sauf que seulement une couche d’or est déposée.

6. j’ai-V caractérisation de dispositifs de nanofils

Remarque : Les échantillons sont maintenant terminés et peuvent être utilisés dans des expériences ultérieures ou leurs caractéristiques I-V peuvent être mesurées pour établir les propriétés électriques de nanofils FET. Les appareils fabriqués sont bloquées dos FETs, où wafer de silicium dopé sert de la grille commune et SiO₂ couche sert le diélectrique de grille.

1. Pour établir le contact électrique avec la porte, retirer une petite zone de l’oxyde de silicium au bord de l’échantillon à l’aide d’une pointe à tracer diamant.
2. Utilisez un pistolet d’azote pour éliminer les particules indésirables dioxyde de silicium.
3. Placez trois microsonde (source, vidange et porte) sur les contacts d’électrode or source-drain, avec la sonde porte sur la zone avec enlevé SiO₂.
4. Utilisent un système de caractérisation de semi-conducteurs d’effectuer des mesures I-V.
5. Mesurer les scans de transfert et de la sortie de NW FETs que ceux-ci donnent des informations sur les performances de l’appareil et les propriétés électriques des nanofils^1,17,23. Notez que les mesures de transfert impliquent stepping source-drain et balayage tension gate. Les caractéristiques de sortie sont mesurées par balayage voltage source-drain et exécution pas à pas de tension de la porte.

Résultats

Résultats de photolithographie bicouche en propre définie nettement électrodes. Dans l’exemple (Figure 1 a), structure de doigt inter-digitated a été utilisé avec une longueur de chaîne de 10 µm. Ces structures permettent un grand espace assembler le nombre maximal de nanofils si on applique la force de la DEP. Figure 1 b montre une représentation schématique d’un dispositif de nanofils FET bas-porte.

Discussion

La fabrication avec succès et les performances des dispositifs dépendant de plusieurs facteurs clés. Citons nanofil densité et la répartition dans la formulation, le choix du solvant, la fréquence des DEP et le contrôle du nombre de nanofils présents sur le dispositif d’électrodes¹.

Une des étapes essentielles dans la réalisation de dispositifs de travail répétitif est la préparation d’une formulation de nanowire sans clusters ou en bouquets. La formul...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silicon/silicon dioxide wafer, CZ method growth, 100mm diameter,  300 nm oxide thermal growth,  n-doped phosphorus	Si-Mat (Silicon materials)	-	http://si-mat.com/
Acetone (200ml)	Sigma Aldrich	W332615	-
Isopropanol (200ml)	Sigma Aldrich	W292907	-
Deionised water (150ml)	On site supply	-	-
Photoresist (A) SF6 PMGI under etch photoresit (approx 1 ml per sample)	Microchem	-	http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf
Photoresist (B) S1805 photoresit) (approx 1 ml per sample)	Microchem	-	http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf
Photoresist developer Microposit  MF319  (100ml)	Microchem	-	http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf
Photoresist remover Microposit remover 1165 (300ml (2 baths 150 each))	Microchem	-	http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf