In diesem Papier, Fluss assistierten Dielektrophorese sich für zeigt die Selbstmontage von Nanodraht-Geräten. Die Herstellung einer Silikon Nanowire Feldeffekt-Transistors ist exemplarisch dargestellt.
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Methodenartikel
Flow-gestützte Dielektrophorese: Eine kostengünstige Methode für die Herstellung von Hochleistungs-Lösung-verarbeitbare Nanodraht-Geräte
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Flow-gestützte Dielektrophorese (DEP) ist eine effiziente Self-assembly Methode für die steuerbare und reproduzierbare Positionierung, Ausrichtung und Auswahl von Nanodrähten. DEP ist für Nanowire Analyse, Charakterisierung, und für die Lösung-basierte Herstellung von halbleitenden Geräte verwendet. Die Methode funktioniert durch die Anwendung von einem elektrischen Wechselfeld zwischen metallischen Elektroden. Nanodraht-Formulierung fiel dann auf die Elektroden, die auf einer geneigten Fläche um einen Fluss von der Formulierung unter Nutzung der Schwerkraft zu erstellen sind. Die Nanodrähte ausrichten dann entlang dem Verlauf des elektrischen Feldes und in Richtung der Flüssigkeitsströmung. Die Frequenz des Feldes kann Nanodrähte mit überlegene Leitfähigkeit und niedriger Dichte Falle wählen angepasst werden.
In dieser Arbeit dient Fluss unterstützt DEP Nanodraht Feldeffekt-Transistoren erstellen. Flow-gestützte DEP hat mehrere Vorteile: es ermöglicht die Auswahl von Nanodraht elektrische Eigenschaften; Kontrolle der Nanodraht Länge; Platzierung von Nanodrähten in bestimmten Bereichen; Kontrolle der Ausrichtung der Nanodrähte; und Kontrolle der Nanodraht-Dichte im Gerät.
Die Technik kann für viele andere Anwendungen wie Gas-Sensoren und Mikrowelle Schalter erweitert werden. Die Technik ist effizient, schnell, reproduzierbar, und es verwendet eine minimale Menge der verdünnten Lösung, wodurch es ideal für die Erprobung neuartiger Nanomaterialien. Wafer Scale Versamlung Nanodraht Geräte kann auch erzielt werden mit dieser Technik, so dass große Anzahl von Proben für die Prüfung und großflächige elektronische Anwendungen.
Einleitung
Kontrollierbar und reproduzierbar Montage von Nanopartikeln in vordefinierten Substrat Standorte ist eine der größten Herausforderungen bei der Lösung verarbeitet elektronischen und photonischen Geräte nutzen halbleitende oder Durchführung von Nanopartikeln. Für high-Performance-Geräte ist es auch sehr vorteilhaft, Nanopartikel mit bevorzugte Größen und besondere elektronische Eigenschaften, wie zum Beispiel, hohe Leitfähigkeit und niedriger Dichte der Oberfläche Falle Staaten auswählen zu können. Trotz erheblicher Fortschritte in Nanomaterialien Wachstum, einschließlich Nanodraht und Nanotube Materialien einige Varianten von Nanopartikel Eigenschaften sind immer vorhanden und ein Auswahlschritt kann deutliche Leistungssteigerung Nanopartikel-basierten Gerät1 ,2.
Die Fluss-gestützte DEP-Methode demonstriert in diesem Werk soll den oben genannten Herausforderungen zu begegnen, zeigt steuerbare halbleitende Nanodrähte Montage auf metallischen Kontakten für high-Performance Nanodraht Feldeffekt-Transistoren. DEP löst viele Probleme der Nanodraht Gerät Herstellung in einem einzigen Schritt einschließlich Positionierung von Nanodrähten, Ausrichtung/Ausrichtung der Nanodrähte und Auswahl von Nanodrähten mit gewünschten Eigenschaften über DEP Signal Frequenz Auswahl1. DEP ist für zahlreiche andere Geräte von Gas-Sensoren3, Transistoren1, verwendet worden und RF schaltet4,5, um die Positionierung der Bakterien für Analyse7.
Die Datenausführungsverhinderung ist die Manipulation von Kopfprodukt Partikel über die Anwendung eines ungleichmäßigen elektrischen Feldes führt Nanodrähte Selbstmontage über die Elektroden8. Die Methode wurde ursprünglich entwickelt für die Manipulation von Bakterien9,10 , aber hat sich seitdem auf die Manipulation von Nanodrähten und Nanomaterialien erweitert worden.
DEP Lösung Verarbeitung von Nanopartikeln ermöglicht Gerät Halbleiterfertigung unterscheidet sich wesentlich von traditionellen Top-Down-Techniken, basierend auf mehreren Photomasking, Ionenimplantation, Hochtemperatur14, Glühen, und Ätzen Schritte. Da DEP Nanopartikel, die bereits synthetisiert wurde manipuliert, ist es ein Niedertemperatur-, Bottom-Up-Herstellung Technik11. Dieser Ansatz ermöglicht großflächige Nanodraht Geräte auf fast jedem Untergrund einschließlich temperaturempfindliche, flexiblen Kunststoffsubstraten6,12,13montiert werden.
In dieser Arbeit hohe Leistung p-Typ Silikon Nanowire Feldeffekt-Transistoren sind hergestellt mit Flow-gestützte DEP, und die FET-Strom-Spannungs-Charakterisierung durchgeführt. In dieser Arbeit verwendeten Silizium-Nanodrähte werden über die Super Flüssig Liquid Solid (SFLS) Methode15,16angebaut. Die Nanodrähte sind absichtlich dotiert und sind ca. 10-50 µm in der Länge und 30-40 nm im Durchmesser. Die SFLS Wachstum-Methode ist sehr attraktiv, da es Industrie skalierbare Mengen Nanodraht Materialien15anbieten kann. Die vorgeschlagenen Nanodraht Montage Methodik ist direkt auf andere Nanodraht Halbleitermaterialien wie InAs13, SnO23und GaN18anwendbar. Die Technik kann auch leitfähige Nanodrähte19 ausrichten und Nanopartikel in Elektrode Lücken20positionieren erweitert werden.
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Protokoll
Achtung: Alle Verfahren, es sei denn anders angegeben statt in einem Reinraum Umwelt und Risikobewertungen wurden durchgeführt, um während der Nanodrähte und Umgang mit Chemikalien Sicherheit zu gewährleisten. Nanomaterialien können haben eine Reihe von Auswirkungen auf die Gesundheit als der sind noch unbekannt, und damit mit entsprechenden behandelt werden sollte um21.
Hinweis: Der Prozess beginnt mit der Vorbereitung der Substrate, gefolgt von den Photolithographie und Metall Abscheidung Einstieg, die DEP-Kontakte zu definieren. Die Nanodrähte sind dann über DEP montiert und ein weitere optionale photolithographische und Metal Deposition Schritt kann durchgeführt werden, um Top-Kontakten auf Nanodrähte einzahlen. Die Nanowire Transistor Geräte Strom-Spannungs-Kennlinien sind dann gemessen mit einem Halbleiter-Charakterisierung-Kit.
1. Vorbereitung der Untergründe
- Schneiden Sie einen dotierten n-Typ Silizium/Kohlendioxid Siliziumwafer in passenden Größen, z.B., 2,5 cm2.
- Während des Schneidens, gewährleisten Sie die Oberfläche des Wafers nicht berührt oder zerkratzt ist.
- Führen Sie eine Diamant-Scriber über die Oberfläche in einer kontinuierlichen Bewegung, einen Schnitt zu machen.
- Aufteilen des Wafers entlang des Schnitts.
- Legen Sie die Proben auf ein Substrat-Halter und für 5 min in einem Ultraschall Bad bei 100 % Leistung (450 W), zunächst in entionisiertem Wasser, dann Aceton und schließlich Isopropanol (IPA) beschallen.
Hinweis: Siehe Tabelle der Materialien für CAS-Nummern und Lieferanten. - Trocknen Sie die Substrate mit einer Stickstoff-Pistole, verbleibenden IPA oder Staub von der Oberfläche zu entfernen.
- Plasma-Asche die Proben im Sauerstoffplasma bei 100 W für 5 min, keine verbleibenden organischen Rückstände zu entfernen.
(2) Photolithographie Bilayer Prozess für Kontakte
Hinweis: Ein Bilayer Photolithographie Prozess dient zur Elektroden zu erstellen. Die Fotolithografie-Verfahren erfolgt in einem gelben Raum zum Verfall der Photoresist Materialien zu verhindern.
- Erhitzen der Probe bei 150 ° C für 15 min mit einer Kochplatte, um restliches Wasser von der Oberfläche zu entfernen.
Hinweis: Dies ist Haftung von Fotolack zu gewährleisten; chemischen Primern wie HMDS können aber auch verwendet werden. - Entfernen Sie die Probe von der Heizplatte und legen Sie es auf einem Spin Coater.
- Mit einer Pipette, fallen Sie etwa 1 mL der Fotolack A auf der Oberfläche, bis die gesamte Probe gleichmäßig bedeckt ist.
Hinweis: Siehe Tabelle der Materialien für die genaue Photolack verwendet. - Drehen Sie die Probe bei 4.000 u/min für 45 s, herstellen eine Schichtdicke von ca. 250 nm. Wenn Elektroden dicker als 150 sind nm sind hinterlegt werden, dieses Rezept zu ändern.
- Entfernen Sie die Probe aus der Spin Coater und legen Sie sie auf einer Herdplatte bei 150 ° C für 5 Minuten.
- Entfernen Sie die Probe von der Herdplatte und lassen Sie die Probe für 5 min in einer 50 % Luftfeuchtigkeit Box ruhen. Damit soll Rehydratation der Fotolack22sichergestellt.
Hinweis: Wenn die Luftfeuchtigkeit des Labors größer als 50 % ist, kann die Probe zur Ruhe in der Luft gelassen werden. - Legen Sie die Probe wieder auf den Spin Coater und pipette etwa 1 mL der Fotolack B auf der Oberfläche des Substrats.
- Drehen Sie die Probe bei 3.500 u/min für 45 s, geben eine Schichtdicke von etwa 500 nm.
- Legen Sie die Probe auf eine Herdplatte bei 120 ° C für 2 min.
- Entfernen Sie die Probe von der Herdplatte und in einer 50 %-Feuchtigkeit-Box für 5 min ruhen lassen.
- Setzen Sie die Probe mit einem Mask Aligner und Fotomaske mit UV-Licht für 6,7 s für insgesamt 180 mJ der Exposition.
Hinweis: Der genaue Strahlendosis müssen je nach einem bestimmten Modell Mask Aligner angepasst werden. - Entfernen Sie die Probe aus der Mask-Aligner und entwickeln durch Eintauchen in Photoresist Entwickler für 30 s.
Hinweis: Siehe Tabelle der Materialien für die genaue Entwickler. - Entfernen Sie die Probe aus der Entwickler, Tauchen Sie die Probe in entionisiertem Wasser ein und spülen Sie ihn um den Entwicklungsprozess zu stoppen.
- Überprüfen Sie die Fotolithografie mit einem optischen Mikroskop. Ein Polarisator lässt sich die Hinterschneidung Bilayer zu überprüfen, die als schwache Linien rund um den Kanal angezeigt werden soll. Die Zeit kann eingestellt werden, wenn zuviel oder zwei etwas unterboten wird erreicht.
3. Abscheidung von Metall-Kontakte
Hinweis: Electron Beam (E-Beam) Ablagerung wird verwendet, um die Elektroden auf die vorbereiteten Photoresist einzahlen. Dabei können auch thermische Verdampfer oder andere Arten von dünnen Metallfilm Ablagerung Techniken.
- Legen Sie die Proben in der E-Beam-Kammer; Pumpen Sie ihn nach unten, bis ein hohes Vakuum erreicht ist. In diesem Fall wird ein Vakuum von ca. 1 x 10-6 mTorr erreicht.
- Kaution 2-6 nm Titan fungiert als eine Adhäsion Schicht von 30 gefolgt nm Gold für die DEP-Kontakte.
- Entfernen Sie die Proben aus der E-Beam-Kammer.
- Führen Sie die Lift-off durch die meisten Photoresist und überschüssiges Metall entfernen. Dies geschieht, indem man die Proben in ein Becherglas Photoresist Entferner für 15 Minuten.
- Entfernen Sie die Proben aus den Becher von Fotolack Remover A und legen Sie in eine andere saubere Becher mit Fotolack Entferner für weitere 15 min. Dies soll verhindern, dass großen Metall-Partikel absetzen auf die Probe.
- Komplette abheben durch beschallen den Becher für 5 min bei 50 % Leistung.
- Entfernen Sie die Proben aus dem Bad by-One, um jedes Material mit IPA zu verhindern, dass unerwünschte Metallpartikel Abrechnung zwischen Elektroden abspülen zu gewährleisten.
Hinweis: Die Elektroden sind nun für die DEP-Ausrichtung von Nanodrähten bereit.
(4) DEP von Nanodrähten
- Bereiten Sie eine Lösung aus Silikon oder anderen Nanodrähte in Anisole ca. 1 µg/mL Konzentration. In diesem Experiment ist die Lösung kurz sonorisiert für 15 s an der niedrigsten Energie Einstellung möglich, Flockung zu entfernen. Andere Lösungsmittel wie Toluol und N, N-Dimethylformamid (DMF)1verwendbar
- Überprüfen Sie die Lösung per Drop 10 µL der Nanodraht Formulierung auf ein Opfer Substrat gießen.
- Inspizieren Sie das Substrat mit hinterlegten Nanodrähte mit einem polarisierten optischen Mikroskop (POM). Die Silizium-Nanodrähte sind doppelbrechenden und kann daher leicht in POM gesehen werden. Wenn keine Nanodraht Klumpen sichtbar sind, und die meisten Nanodrähte auf dem Substrat gut dispergiert sind, dann die nächste Stufe beginnen kann, sonst die Lösung erneut beschallten ist und Nanodraht-Konzentration muss u. u. angepasst werden. Dauert möglicherweise mehrere Versuche, die korrekte Nanodraht-Dispersion zu erreichen.
- Legen Sie die vorbereiteten Probe mit Elektroden auf 30° (vs. Horizont) geneigt Plattform mit dem Gerätekanal horizontal ausgerichtet. Die Dispersion Flussrichtung muss senkrecht zu den Elektroden Kanten ermöglicht eine effizientere Nanodraht Ausrichtung.
- Wenden Sie sich an den Elektroden mit Mikro-Sonden mit einem Frequenz-Generator1verbunden.
- Stellen Sie die gewünschte Frequenz und Spannung auf der Frequenz-Generator sind. Verwenden Sie in diesem Experiment eine DEP Signalspannung von 10 V Spitze-Spitze und einem 1 MHz-Sinus.
Hinweis: Erhöhung der Frequenz bis zu helfen 20 MHz um Nanodrähte mit hoher Leitfähigkeit und niedriger Falle Dichte1,2zu sammeln. Siehe Hinweis1 für ein ausführliches Gespräch. DEP Signal Frequenzbereich angegeben hier erhielt durch die Durchführung SFLS Si Nanodrähte Impedanz Spektroskopie und Sammlung Zeitanalyse, wie in Hinweis1beschrieben. Andere Arten von Nanodrähten mit höherer oder niedrigerer Kosten Träger Mobilität, dotierten Nanodrähte, oder Nanodrähte durch andere Wachstum Methoden erhalten können verschiedene DEP Signal Frequenzbereich führt die Sammlung von hoher Qualität-Nanodrähten. - Schalter auf der Frequenz-Generator- and -drop ca. 10 µL Nanodraht-Lösung mit einer Mikropipette auf der Gerätebereich.
Hinweis: Platzieren die Probe in einem Winkel (30°) hilft, um eine Schwerkraft-unterstützte langsame Strömung der Flüssigkeit zu schaffen. Alternativ kann eine Kapillarwirkung mit einem Objektträger verwendet6. - Gelten die DEP Signal für 30 s und dann ausschalten der Frequenz-Generator.
- Entfernen Sie die Probe und spülen Sie sehr sanft mit IPA ab.
- Trocken-aus der Stichprobe sehr sanft mit einem Stickstoff-Gun. Eine polarisierte Lichtmikroskop kann verwendet werden, um überprüfen die Probe und stellen die Parameter
Hinweis: Die DEP-Signalspannung, Frequenz und die Nanowire Dispersion Dichte einstellbar um eine reproduzierbare gewünschte Dichte von Nanodrähten aus ein paar Nanodrähte auf wenige hundert pro Gerät1,2zu erreichen.
(5) Ablagerung von einer sekundären Metallschicht
- Um verbesserte Strominjektion in NW-FETs zu erreichen, gelten Sie einen zweite metallischen Kontakt auf den Nanodraht.
Hinweis: Dieser Kontakt Abscheidung folgt exakt dieselben Schritte als Abschnitte 2 und 3, in Photolithographie und Metallabscheidung, außer, dass nur eine Goldschicht abgeschieden wird.
(6)-Spannungs-Charakterisierung der Nanodraht-Geräte
Hinweis: Die Proben sind nun abgeschlossen und können in späteren Experimenten verwendet werden oder ihre Eigenschaften-V gemessen werden, um Nanodraht FET elektrischen Eigenschaften herzustellen. Die gefertigten Geräte sind zurück-gated FETs, wo dotiertem Silizium-Wafer dient als gemeinsame Tor, und SiO2 Schicht dient als Gate-Dielektrikum.
- Um elektrischen Kontakt mit dem Tor zu etablieren, entfernen Sie einen kleinen Bereich der Siliziumoxid am Rand der Probe ein Diamant Scriber.
- Verwenden Sie eine Stickstoff-Pistole, um keine unerwünschten Siliziumdioxid-Partikel zu entfernen.
- Platz drei Mikrosonden (Source, Drain und Gate) auf die gold Source-Drain-Elektrode-Kontakte mit dem Tor auf den Bereich mit Sonde entfernt SiO2.
- Verwenden Sie ein Halbleiter-Charakterisierung-System-Spannungs-Messungen durchführen.
- Transfer und Ausgabe-Scans von NW-FETs zu messen, wie diese geben Informationen über die Leistung des Gerätes und die elektrischen Eigenschaften der Nanodrähte1,17,23. Beachten Sie, dass Transfer Messungen stepping Source-Drain-Spannung und der geschwungenen Gate-Spannung. Die Ausgabe-Merkmale werden durch fegen Source-Drain-Spannung und das Eintreten der Gate-Spannung gemessen.
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Ergebnisse
Bilayer Photolithographie Ergebnisse in sauberen definiert stark Elektroden. Im Beispiel (Abbildung 1A) wurde Inter digitated Finger Struktur mit einer Kanal-Länge von 10 µm verwendet. Diese Strukturen ermöglichen eine große Fläche für die maximale Anzahl von Nanodrähten montieren, wenn die Datenausführungsverhinderung Gewalt angewendet wird. Abbildung 1 b zeigt eine schematische Darstellung des unteren Tor Nanodraht FET Gerät.
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Diskussion
Die erfolgreiche Fertigung und Leistung der Geräte hängen mehrere wichtige Faktoren. Dazu gehören Nanodraht Dichte und Verteilung in der Formulierung, die Wahl des Lösungsmittels, die Häufigkeit der Datenausführungsverhinderung und die Kontrolle über die Anzahl der Nanodrähte vorhanden auf dem Gerät Elektroden1.
Die entscheidenden Schritte bei der Erreichung wiederholbare Arbeitsgeräte gehört die Vorbereitung einer Nanodraht Formulierung ohne Cluster oder Klumpen. Die F...
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Offenlegungen
Die Autoren bestätigen, dass es keine Interessenkonflikte.
Danksagungen
Die Autoren möchten ESPRC und BAE Systeme für finanzielle Unterstützung und Prof. Brian A. Korgel und seiner Gruppe für die Lieferung von SFLS gewachsen Silizium-Nanodrähte, die in dieser Arbeit danken.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Silizium/Siliziumdioxid-Wafer, CZ-Methode Züchtung, 100 mm Durchmesser, & nbsp; 300 nm oxidische thermische Wachstum, & n-dotierter Phosphor | Si-Mat (Siliziummaterialien) | - | http://si-mat.com/ |
| Aceton (200 ml) | Sigma Aldrich | W332615-Isopropanol | |
| (200 ml) | Sigma Aldrich | ||
| W292907-deionisiertes Wasser (150 ml) | Vor-Ort-Versorgung | - | - |
| Fotolack (A) SF6 PMGI unter Ätzen (ca. 1 ml pro Probe) | Mikrochemie | - | http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf |
| Fotolack (B) S1805 Fotoresit) (ca. 1 ml pro Probe) | Mikrochemie | - | http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf |
| Photoresist-Entwickler Microposit MF319 (100ml) | Mikrochemie | - | http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf |
| Fotolack-Entferner Microposit Entferner 1165 (300ml (2 Bäder à 150)) | Mikrochemie | - | http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf |
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