Flusso-assistita dielettroforesi: Un metodo a basso costo per la realizzazione di dispositivi ad alte prestazioni soluzione-processable Nanowire

Riepilogo

In questa carta, flusso dielettroforesi assistita è dimostrata per l'auto-assemblaggio di dispositivi nanofilo. La realizzazione di un transistor a effetto di campo nanowire silicio è indicata come un esempio.

Abstract

Flusso-assistita dielettroforesi (DEP) è un efficiente metodo di auto-assemblaggio per il controllabile e riproducibile posizionamento, allineamento e selezione di nanofili. DEP è utilizzato per nanowire analisi, caratterizzazione e per la soluzione a base di fabbricazione di dispositivi semiconduttori. Il metodo funziona applicando un campo elettrico alternato tra elettrodi metallici. La formulazione di nanowire poi è caduta sugli elettrodi che sono su un piano inclinato per creare un flusso della formulazione utilizzando la gravità. I nanofili quindi allineare lungo il gradiente del campo elettrico e nella direzione del flusso del liquido. La frequenza del campo può essere regolata per selezionare nanofili con conducibilità superiore e più bassa densità di trappola.

In questo lavoro, assistita da flusso DEP viene utilizzato per creare nanowire transistor ad effetto di campo. Flusso-assistita DEP ha diversi vantaggi: permette la selezione di nanowire proprietà elettriche; controllo della lunghezza di nanowire; posizionamento di nanofili in ambiti specifici; controllo dell'orientamento dei nanofili; e controllo della densità di nanowire nel dispositivo.

La tecnica può essere ampliata a molte altre applicazioni come sensori di gas e forno a microonde switch. La tecnica è efficace, rapido e riproducibile, e utilizza una quantità minima di soluzione diluita che lo rende ideale per la sperimentazione di nuovi nanomateriali. Montaggio scala wafer di nanowire dispositivi può essere ottenuto anche utilizzando questa tecnica, consentendo un numero elevato di campioni per il test e applicazioni elettroniche di grande superficie.

Introduzione

Assemblea controllabile e riproducibili di nanoparticelle in posizioni pre-definito substrato sono una delle sfide principali nella soluzione di elaborazione elettroniche e fotoniche dispositivi che utilizza nanoparticelle di semiconduttori o conduttori. Per dispositivi ad alte prestazioni, è anche estremamente utile per poter selezionare le nanoparticelle con dimensioni preferenziali, particolare proprietà elettroniche, tra cui, ad esempio, alta conducibilità e bassa densità degli Stati di superficie trappola. Nonostante i significativi progressi nello sviluppo di nanomateriali, compresi materiali nanowire e nanotubi, alcune variazioni delle proprietà delle nanoparticelle sono sempre presenti, e una fase di selezione può migliorare significativamente le prestazioni dei dispositivi basati su nanoparticelle^{1 ,2}.

Lo scopo del metodo DEP flusso-assistita ha dimostrato in questo lavoro è quello di affrontare le sfide sopra mostrando Assemblea nanofili semiconduttori controllabile sul contatti metallici per transistor ad effetto di campo nanowire ad alte prestazioni. DEP risolve diversi problemi di nanowire fabbricazione di dispositivi in un unico passaggio tra cui posizionamento di nanofili, orientamento di allineamento di nanofili e selezione di nanofili con proprietà desiderate tramite DEP segnale frequenza selezione¹. DEP è stato utilizzato per numerosi altri dispositivi che vanno da gas sensori³, transistor¹, e RF switches^4,5, al posizionamento di batteri per analisi⁷.

DEP è la manipolazione delle particelle polarizzabile tramite l'applicazione di un campo elettrico non uniforme conseguente nanofili autoassemblaggio attraverso gli elettrodi⁸. Il metodo è stato originariamente sviluppato per la manipolazione di batteri^9,10 , ma da allora è stato espanso per la manipolazione di nanofili e nanomateriali.

Elaborazione soluzione DEP di nanoparticelle permette la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore che differisce significativamente dalle tecniche tradizionali di top-down basate su più photomasking, l'impiantazione ionica, ad alta temperatura¹⁴, ricottura e acquaforte a pochi passi. Poiché DEP manipola le nanoparticelle che già sono state sintetizzate, è una tecnica di fabbricazione di bassa temperatura, bottom-up¹¹. Questo approccio consente di nanowire su larga scala di dispositivi essere montato su quasi qualsiasi substrato cui substrati plastici termosensibili, flessibile^6,12,13.

In questo lavoro, transistor ad effetto di campo ad alte prestazioni p-tipo silicone nanowire sono fabbricati con DEP flusso-assistita e la caratterizzazione di corrente-tensione di FET è condotto. I nanocavi di silicio utilizzati in questo lavoro vengono coltivati tramite il Super fluido liquido solido (SFLS) metodo^15,16. I nanofili sono intenzionalmente drogati e sono circa il 10-50 µm di lunghezza e 30-40 nm di diametro. Il metodo di crescita SFLS è molto interessante poiché può offrire industria scalabili importi di nanowire materiali¹⁵. La metodologia di assemblaggio proposto nanofilo è direttamente applicabile ad altri materiali di nanofilo semiconduttore come InAs¹³, SnO₂³e GaN¹⁸. La tecnica può essere espanso per allineare nanofili conduttivo¹⁹ e per posizionare le nanoparticelle attraverso elettrodo lacune²⁰.

Protocollo

Attenzione: Tutte le procedure a meno che non altrimenti dichiarato hanno luogo in una camera pulita e valutazioni per ambiente e rischio sono state fatte per garantire la sicurezza nei nanofili e gestione delle sostanze chimiche. Nanomateriali abbiano una serie di implicazioni per la salute che sono come di ancora sconosciuto e quindi deve essere maneggiato con appropriata cura²¹.

Nota: Il processo inizia con la preparazione dei substrati, seguita dai primi passi di deposizione fotolitografia e metallo per definire i contatti di protezione esecuzione programmi. I nanofili sono poi assemblati tramite DEP e un passo ulteriore deposizione fotolitografica e metallo opzionale può essere eseguito per effettuare un deposito superiori contatti sul nanofili. Caratteristiche corrente-tensione del nanowire transistor dispositivi quindi sono misurate utilizzando un kit di caratterizzazione di semiconduttori.

1. preparazione dei substrati

1. Tagliare un wafer di biossido di silicio/silicio drogato di tipo n in formati adatti, ad esempio, 2,5 cm².
2. Durante il taglio, garantire la superficie superiore del wafer non è toccata o graffiata.
3. Eseguire uno scriber diamante su tutta la superficie in un unico movimento continuo a fare un taglio.
4. Dividere il wafer lungo il taglio.
5. I campioni su un titolare di substrato e Sonicare per 5 min in un bagno ultrasonico al 100% di potenza (450 W), in primo luogo in acqua deionizzata, poi acetone ed infine isopropanolo (IPA).
   Nota: Vedi Tabella materiali per numeri CAS e fornitori.
6. Asciugare i substrati con una pistola di azoto per rimuovere qualsiasi residuo IPA o polvere dalla superficie.
7. Cenere del plasma negli esempi di plasma ad ossigeno a 100 W per 5 min per rimuovere eventuali residui organici.

2. fotolitografia Bilayer processo per contatti

Nota: Un processo di fotolitografia doppio strato viene utilizzato per creare gli elettrodi. Il processo di fotolitografia è condotto in una sala gialla per evitare il decadimento dei materiali di photoresist.

1. Riscaldare il campione a 150 ° C per 15 min utilizzando una piastra di cottura, per eliminare l'acqua residua dalla superficie.
   Nota: Questo è per garantire adesione del photoresist; Tuttavia chimici primer come HMDS anche può essere utilizzato.
2. Rimuovere il campione dalla piastra scaldante e posizionarlo su una spin coater.
3. Utilizzando una pipetta, depositare circa 1 mL di photoresist A sulla superficie fino a coperta uniformemente l'intero campione.
   Nota: Vedi Tabella materiali per il photoresist esatto utilizzato.
4. Girare il campione a 4.000 giri/min per 45 s, per produrre uno spessore di circa 250 nm. Se gli elettrodi che sono più spessi di 150 nm sono depositati, modificare questa ricetta.
5. Rimuovere l'esempio da spin-coater e posizionarlo su una piastra riscaldante a 150 ° C per 5 min.
6. Rimuovere l'esempio da piastra e lasciare il campione a riposare per 5 min in una scatola di umidità del 50%. Questo è per assicurare la reidratazione del photoresist²².
   Nota: Se l'umidità del laboratorio è supera al 50%, il campione può essere lasciato a riposare nell'aria.
7. Posizionare il campione sulla spin coater e dispensare circa 1 mL di photoresist B sulla superficie del substrato.
8. Girare il campione a 3.500 giri/min per 45 s, dando uno spessore di circa 500 nm.
9. Il campione viene posto su una piastra riscaldante a 120 ° C per 2 min.
10. Rimuovere l'esempio dalla piastra di cottura e lasciare riposare in una scatola di umidità del 50% per 5 min.
11. Esporre l'esempio utilizzando una maschera-allineatore e fotomaschere ai raggi UV per 6.7 s per un totale di 180 mJ di esposizione.
    Nota: La dose di esposizione esatta potrebbe essere necessario essere regolata in funzione di un particolare modello di aligner maschera.
12. Rimuovere l'esempio da mask-aligner e sviluppare immergendolo in sviluppatore fotoresist per 30 s.
    Nota: Vedi Tabella materiali per lo sviluppatore esatto.
13. Rimuovere il campione da parte dello sviluppatore, il campione non immergere in acqua deionizzata e sciacquarlo per interrompere il processo di sviluppo.
14. Verifica la fotolitografia utilizzando un microscopio ottico. Un polarizzatore può essere utilizzato per controllare il sottosquadro di doppio strato che dovrà presentarsi come linee deboli intorno alla scanalatura. Il tempo può essere regolato se troppo o due poco sottosquadro è raggiunto.

3. deposizione di contatti metallici

Nota: Deposizione di Electron beam (E-beam) è usato per depositare gli elettrodi sul photoresist preparati. Questo processo può anche utilizzare evaporatori termici o altri tipi di tecniche di deposizione di film sottili di metallo.

1. Porre i campioni nella camera E-beam; della pompa verso il basso fino a raggiunta un alto vuoto. In questo caso, un vuoto di circa 1 x 10^-6 mTorr è raggiunto.
2. Deposito 2-6 nm di titanio che agisce come un livello di adesione seguito da 30 nm d'oro per i contatti di protezione esecuzione programmi.
3. Rimuovere i campioni dalla camera E-beam.
4. Eseguire la procedura di decollo rimuovendo la maggior parte del photoresist e metallo in eccesso. Questo viene fatto inserendo i campioni in un becher di photoresist remover per 15 min.
5. Rimuovere i campioni dal becher di photoresist remover A e posto in un altro becher pulito di photoresist remover per ulteriori 15 minuti. Si tratta di impedire qualsiasi grandi particelle metalliche di depositarsi sul campione.
6. Lift-off completa di sonicating Becher per 5 min a 50% di potenza.
7. Rimuovere i campioni dal bagno one-by-one, garantendo per lavare via qualsiasi materiale con IPA per evitare indesiderate particelle metalliche da stabilirsi tra gli elettrodi.
   Nota: Gli elettrodi sono ora pronti per l'allineamento di DEP di nanofili.

4. DEP di nanofili

1. Preparare una soluzione di silicio o altri nanofili in anisolo di concentrazione di circa 1 µ g/mL. In questo esperimento, la soluzione è brevemente sonicata per 15 s con il minimo consumo impostazione possibile rimuovere qualsiasi flocculazione. Altri solventi possono essere utilizzati come il toluene e N, N-dimetilformammide (DMF)¹.
2. Verificare la soluzione di goccia colata una 10 µ l della formulazione nanowire su un substrato sacrificale.
3. Ispezionare il substrato con nanofili depositati utilizzando un microscopio ottico polarizzato (POM). I nanocavi di silicio sono birifrangenti e quindi possono essere facilmente visto in POM. Se non ci sono nessun nanofilo ciuffi visibile, e la maggior parte dei nanofili sono dispersi bene sul substrato, quindi può iniziare la fase successiva, in caso contrario è ri-lisati mediante la soluzione e la concentrazione di nanowire debba essere regolato. Potrebbero essere necessari diversi tentativi per ottenere la dispersione di nanowire corretta.
4. Collocare la piattaforma campione preparato con elettrodi sul 30° (vs orizzonte) inclinato con il canale di dispositivo allineato orizzontalmente. La direzione del flusso di dispersione deve essere perpendicolare ai bordi gli elettrodi per consentire più efficiente nanowire allineamento.
5. Contattare gli elettrodi utilizzando micro-sonde collegate a un generatore di frequenza¹.
6. Impostare che la frequenza desiderata e la tensione sono il generatore di frequenza. In questo esperimento, utilizzare una tensione di segnale di protezione esecuzione programmi di 10 V picco-picco e un'onda sinusoidale di 1 MHz.
   Nota: Aumento della frequenza fino a 20 MHz può aiutare a raccogliere nanofili con alta conducibilità e trappola bassa densità^1,2. Vedere riferimento¹ per una discussione dettagliata. Gamma di frequenza del segnale DEP indicato qui è stata ottenuta effettuando SFLS Si nanofili spettroscopia e collezione tempo analisi di impedenza, come descritto nel riferimento¹. Altri tipi di nanofili con mobilità di elemento portante di carica superiore o inferiore, drogato nanofili o nanofili ottenuti con altri metodi di crescita possono avere gamma differente di frequenza del segnale DEP conseguente raccolta di nanofili di alta qualità.
7. Accensione il generatore di frequenza e rilasciare circa 10 µ l di soluzione di nanowire utilizzando una micropipetta sulla zona periferica.
   Nota: Posizionare il campione ad un angolo (30°) consente di creare una gravità assistita lento fluire del liquido. In alternativa, un'azione capillare utilizzando una lastra di vetro possono essere usati⁶.
8. Applicare il DEP segnale per 30 s e quindi lo spegnimento del generatore di frequenza.
9. Rimuovere l'esempio e risciacquare molto delicatamente con IPA.
10. Asciugatura l'esempio molto delicatamente utilizzando una pistola di azoto. Un microscopio ottico polarizzato può essere usato per controllare il risultato della prova e regolare i parametri
    Nota: La tensione del segnale di protezione esecuzione programmi, frequenza e la densità di dispersione nanofilo può essere regolati per ottenere una densità desiderata riproducibile di nanofili, da pochi nanofili a poche centinaia a dispositivo^1,2.

5. deposizione di uno strato di metallo secondario

1. Per ottenere la migliore iniezione corrente in NW FET, applicare un secondo contatto metallico in cima il nanofilo.
   Nota: Questo processo di deposizione di contatto segue la stessa procedura esatta come sezioni 2 e 3, nella deposizione dei metalli e di fotolitografia tranne che solo uno strato d'oro è depositato.

6. I-V caratterizzazione di dispositivi Nanowire

Nota: I campioni sono ora completi e possono essere utilizzati in esperimenti successivi o loro caratteristiche I-V possono essere misurate per stabilire le proprietà elettriche di nanowire FET. I dispositivi fabbricati sono retro-gated FETs, dove wafer di silicio drogato funge da cancello comune e SiO₂ strato serve come il dielettrico di gate.

1. Per stabilire il contatto elettrico con il cancello, rimuovere una piccola area di ossido di silicio al bordo del campione utilizzando una penna di diamante.
2. Utilizzare una pistola di azoto per rimuovere eventuali particelle di diossido di silicio indesiderati.
3. Posto tre microsonde (origine, scolarle e cancello) sui contatti elettrodo d'oro fonte-scarico, con il cancello della sonda sulla zona con rimosso SiO₂.
4. Utilizzare un sistema di caratterizzazione di semiconduttori per prendere misure I-V.
5. Misurare, trasferimento e uscita scansioni di NW FET come questi danno informazioni sulle prestazioni del dispositivo e le proprietà elettriche dei nanofili^1,17,23. Si noti che misure di trasferimento implicano tensione source-drain passo-passo e travolgente tensione di gate. Le caratteristiche di uscita sono misurate da spazzare tensione drain-source e stepping tensione di gate.

Risultati

Risultati di fotolitografia doppio strato in ambiente pulito e acutamente definite elettrodi. Nell'esempio (Figura 1A), barretta Inter-digitated struttura è stata utilizzata con una lunghezza di canale di 10 µm. Queste strutture permettono una grande area assemblare il numero massimo di nanofili quando viene applicata la forza DEP. Figura 1B Mostra un disegno schematico di un dispositivo di nanowire FET di fondo-cancello.

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Discussione

La fabbricazione di successo e le prestazioni dei dispositivi dipendono da diversi fattori chiave. Questi includono nanowire densità e distribuzione nella formulazione, la scelta del solvente, la frequenza di protezione esecuzione programmi e il controllo del numero di nanofili presenti sul dispositivo elettrodi¹.

Uno dei passaggi critici nella realizzazione di dispositivi di lavoro ripetibile è la preparazione di una formulazione di nanowire senza cluster o grumi. La...

Materiali

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