Name: Monolayer Kontakt Dotierung von Silizium-Oberflächen und Nanodrähte Mit Phosphororganische Verbindungen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-12-02T21:15:00.000+00:00
Duration: 9 min 45 s
Description: Lernen Sie die Monolayer-Kontaktdotierung von Silizium-Oberflächen und Nanodrähten mit phosphororganischen Verbindungen. Diese Methode ermöglicht präzise, flache Dotierprofile für Halbleiteranwendungen.

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Diese Arbeit wurde teilweise vom Farkas Zentrum für lichtinduzierte Prozesse finanziert.

1. Oberflächenreinigung
<ol>
	<li>Bereiten Sie eine saure Piranha-Lösung vor, indem Sie 1:3 Wasserstoffperoxid (30%) und konzentrierte Schwefelsäure mischen. 
	Achtung: Piranha-Lösungen sind extrem starke und gefährliche Oxidationsmittel und sollten mit äußerster Vorsicht verwendet werden. Diese Lösungen können in Kontakt mit organischen Lösungsmitteln explodieren. Der Eingriff darf nur von qualifiziertem Personal mit entsprechender Schulung und Sicherheitsausrüstung durchgeführt werden.</li>
	<li>Legen Sie die Substrate (die später als Spender- und Zielsubstrate verwendet werden) in die entsprechende Halterung und legen Sie sie für 15 Minuten in die Piranha-Lösung.</li>
	<li>Spülen Sie die Proben 3x in DI-Wasser.</li>
	<li>Bereiten Sie die Basis-Piranha-Lösung vor, indem Sie 1:1:5 Ammoniumhydroxid (25%), Wasserstoffperoxid (30%) und DI-Wasser mischen.</li>
	<li>Legen Sie die Substrate (die später als Donor- und Zielsubstrate verwendet werden) in eine geeignete Halterung und legen Sie sie in die Basis-Piranha-Lösung und stellen Sie sie für 8 min in ein Ultraschallbad bei 60 °C.</li>
	<li>Spülen Sie die Proben 3x in DI-Wasser.</li>
	<li>Spülen Sie die Proben in Ethanol und föhnen Sie sie dann unter einem Stickstoffstrahl trocken.</li>
	<li>Die Proben im Ofen bei 115 °C 10 Min. trocknen.</li>
</ol>
2. Bildung von Monolagen
<ol>
	<li>Bereiten Sie eine 1%ige v/v-Lösung von Tetraethylmethylendiphosphonat in Mesitylen vor.</li>
	<li>Spendersubstrate in ein drucksicheres Fläschchen geben, das die Methylendiphosphonat-Mesitylen-Lösung enthält, versiegeln und 2 Std. bei 100 °C erhitzen
	Wichtig: Durch das Erhitzen des Lösungsmittels in einem verschlossenen Fläschchen wird Druck erzeugt. Es ist darauf zu achten, dass der verwendete Behälter geeignet ist und dem erzeugten Druck standhält. Die geschlossene Durchstechflasche mit Lösungsmittel sollte nicht nahe oder über dem Siedepunkt des Lösungsmittels erhitzt werden. Die Durchstechflasche darf nicht geöffnet werden, wenn sie heiß ist.</li>
	<li>Lassen Sie das Fläschchen abkühlen, öffnen Sie das Fläschchen und spülen Sie die Proben 3x in Mesitylen, 3x in Dichlormethan und föhnen Sie sie unter Stickstoffstrom trocken. 
	* Für die Dotierung von Nanodrähten fahren Sie mit Schritt 3 fort, für die Dotierung von Wafern fahren Sie mit Schritt 5 fort.</li>
</ol>
3. Nanodraht-Synthese
<ol>
	<li>Reinigen Sie einen Objektträger des Mikroskops 2 Minuten lang in Sauerstoffplasma.</li>
	<li>Tragen Sie ein paar Tropfen Poly-L-Lysin-Lösung auf den Objektträger auf, um ihn vollständig zu bedecken, warten Sie 5 Minuten, spülen Sie ihn dann mit DI-Wasser ab und föhnen Sie ihn mit Stickstoff trocken.</li>
	<li>Tragen Sie ein paar Tropfen Goldkolloidlösung auf den Objektträger auf, um ihn vollständig zu bedecken, warten Sie 2 Minuten, spülen Sie ihn dann mit DI-Wasser ab und föhnen Sie ihn mit Stickstoff trocken.</li>
	<li>Entfernen Sie organische Verunreinigungen, indem Sie 30 Sekunden lang Sauerstoffplasma verwenden.</li>
	<li>Setzen Sie den Objektträger mit den Goldnanopartikeln in eine CVD-Kammer ein und evakuieren Sie.</li>
	<li>Die Kammer wird bei 440 °C, 35 Torr und 50 sccmH2 voräquilibriert.</li>
	<li>Starten Sie den Abscheidungsprozess, indem Sie SiH4 Gas, 2 sccm Durchfluss strömen. Führen Sie den CVD-Prozess 30 Minuten lang durch, um Nanodrähte mit einer Länge von etwa 50 μm zu erhalten.</li>
	<li>Messen Sie die Länge von Nanodrähten (mit REM oder mit einem optischen Mikroskop unter Verwendung eines Dunkelfeldfilters). Wenn man mit einem optischen Mikroskop die Länge von Nanodrähten misst, die an den Probenrändern stehen, sollte es dort leicht sein, einen parallel zur Oberfläche herausragenden Draht zu finden.</li>
</ol>
4. Nanodraht-Tropfengießen auf Substrat
<ol>
	<li>Hängen Sie die Nanodrähte in Ethanol auf. Legen Sie den Objektträger mit der in Schritt 3 vorbereiteten Nanodrahtfolie in ein Fläschchen und fügen Sie Ethanol hinzu, um den Objektträger mit einem Flüssigkeitsüberschuss von ~1 cm zu bedecken.</li>
	<li>Beschallen Sie das Fläschchen 3 Sekunden lang, die Lösung sollte leicht trüb werden. 
	Wichtig: Die aufgehängten Nanodrähte neigen dazu, sich zu aggregieren, da die Aufhängung nicht stabil ist; Daher sollte es kurz nach der Zubereitung, vor der Aggregation, verwendet werden.</li>
	<li>Das Substrat Si3N4/SiO2/Si auf eine auf 150 °C vorgeheizte Heizplatte legen und einige Tropfen Nanodrahtsuspension auf die erhitzte Oberfläche geben. Sobald die Flüssigkeit getrocknet ist, überprüfen Sie die Dichte der Nanodrähte auf der Oberfläche nach dem Tropfengussverfahren mit einem optischen Mikroskop mit Dunkelfeldfilter. Um eine hohe Ausbeute an Einzelnanodraht-Bauelementen zu erzielen, sollte der Prozess eine Oberflächendichte von etwa 100 Nanodrähten pro 1mm2 bei einer minimalen Nanodrahtlänge von ~20 μm aufweisen.</li>
</ol>
5. Schnelles thermisches Glühen
<ol>
	<li>Platzieren Sie das Zielsubstrat (intrinsischer Si-Wafer oder Nanodrähte, die in ein Substrat aus den vorherigen Schritten gegossen wurden) so auf dem Donorsubstrat, dass das Ziel zum Donorsubstrat zeigt.</li>
	<li>Legen Sie die beiden Substrate in die RTA-Kammer und schließen Sie die Kammertür.</li>
	<li>Räumt die Kammer, reinigt mit Argon und evakuiert dann wieder. Dieser Schritt stellt sicher, dass keine Sauerstoff- oder andere unerwünschte Gasrückstände in der Kammer zurückbleiben.</li>
	<li>Glühen Sie die Substrate bei der gewünschten Temperatur und Zeit. Der Dotierungsgrad, der durch den Schichtwiderstandswert angegeben wird, hängt von der Glühzeit und der Temperatur ab (Abbildung 1). Es wird ein Prozess von 1.000 ºC Glühtemperatur und 40 Sekunden Glühzeit demonstriert. In der Regel werden Abkühlzeiten von 5 bis 120 Sekunden angewendet. Die Temperaturrampenzeit sollte je nach Spezifikation des Glühsystems so kurz wie möglich sein. Hierbei wird eine Rampenzeit von 6 Sekunden von Raumtemperatur auf die Prozesstemperatur verwendet.</li>
</ol>
6. Messungen des Schichtwiderstands
<ol>
	<li>Tauchen Sie die MLCD-dotierte Probe 5 Minuten lang in 1%ige Flusssäurelösung, um die Oxidschicht zu entfernen.</li>
	<li>Mit DI-Wasser, Isopropanol spülen und mit Stickstoffstrahl föhnen.</li>
	<li>Messen Sie den Schichtwiderstand mit einem Vier-Punkt-Sondenaufbau. In diesem Beispiel wird der Jandel RM3-AR verwendet, der über ein spezielles automatisches System zur Messung des Schichtwiderstands verfügt. Der typische verwendete Strom liegt im Bereich von 1-10 μA.</li>
</ol>
7. Herstellung und Charakterisierung von Nanodrahtbauelementen
<ol>
	<li>Die Probe auf einer heißen Platte bei 120 °C 5 Minuten erhitzen.</li>
	<li>Spin Coat AZ nLOF2020 Fotolack bei 4.000 U/min.</li>
	<li>Die Probe wird bei 110 °C 75 Sekunden lang mit einer Vakuum-Heizplatte gebacken</li>.
	<li>Belichtung bei 40 mJ/cm2 mit 365 nm Lichtquelle unter Verwendung eines Masken-Aligners und der Elektrodenmustermaske.</li>
	<li>Die Proben werden nach der Exposition bei 110 °C erneut 75 Sekunden lang auf einer Vakuum-Heizplatte gebacken.</li>
	<li>Die Proben werden 70 Sekunden lang in AZ726MIF Lösung entwickelt, in DI-Wasser gespült und mit Stickstoffstrahl geföhnt.</li>
	<li>Verdampfen Sie 100 nm Nickel mit einem Elektronenstrahlverdampfer.</li>
	<li>Führen Sie das Abheben mit einem heißen (80 °C) N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP)-Lösungsmittel durch.</li>
	<li>Untersuchen Sie das Substrat, um NW-FET-Geräte zu lokalisieren, die während des Prozesses erfolgreich gebildet wurden, und registrieren Sie deren Standorte. Dies kann einfach mit einem optischen Mikroskop mit Dunkelfeldfilter erfolgen, sofern Adressmarker gebildet werden.</li>
	<li>Messen Sie I-V-Kurven für ausgewählte Bauelemente mithilfe eines Analysators für Halbleiterbauelemente und einer Sondenstation. Legen Sie die Probe auf den konduktiven Tisch, der als Gate-Anschluss mit dem Analysator verbunden ist. Nähern Sie sich mit der Mikroskopkamera der Sondenstation den Sondennadeln in der Nähe der Geräteelektroden und berühren Sie die Elektroden vorsichtig mit den Nadeln. Die Nadeln sollten als Source- und Drain-Anschlüsse an den Analysator angeschlossen werden.</li>
</ol>

<ol><li>Hazut, O., Agarwala, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Contact+doping+of+silicon+wafers+and+nanostructures+with+phosphine+oxide+monolayers%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Contact doping of silicon wafers and nanostructures with phosphine oxide monolayers.</a> ACS Nano. 6 (11), 10311-10318 (2012).</li>
<li>Hisamoto, D., Lee, W. -C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FinFET-+A+self-aligned+double-gate+MOSFET+scalable+to+20+nm%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Trans.+Electron+Devices%22%5BJournal%5D)">FinFET- A self-aligned double-gate MOSFET scalable to 20 nm.</a> IEEE Trans. Electron Devices. 47, 2320-2325 (2000).</li>
<li>Leung, G., Chui, C. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Variability+impact+of+random+dopant+fluctuation+on+nanoscale+junctionless+FinFETs%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Electron+Device+Lett%22%5BJournal%5D)">Variability impact of random dopant fluctuation on nanoscale junctionless FinFETs.</a> IEEE Electron Device Lett. 33, 767-769 (2012).</li>
<li>Ho, J. C., Yerushalmi, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wafer-scale%2C+sub-5+nm+junction+formation+by+monolayer+doping+and+conventional+spike+annealing%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Wafer-scale, sub-5 nm junction formation by monolayer doping and conventional spike annealing.</a> Nano Lett. 9 (2), 725-730 (2009).</li>
<li>Peercy, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Drive+to+Miniaturization%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The Drive to Miniaturization.</a> Nature. 406, 1023-1026 (2000).</li>
<li>Lu, W., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Semiconductor+Nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+D%22%5BJournal%5D)">Semiconductor Nanowires.</a> J. Phys. D. 39, R387-R406 (2006).</li>
<li>Gunawan, O., Wang, K., Fallahazad, B., Zhang, Y., Tutuc, E., Guha, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+Performance+Wire-Array+Silicon+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Prog.+Photovoltaics%22%5BJournal%5D)">High Performance Wire-Array Silicon Solar Cells.</a> Prog. Photovoltaics. 19, 307-312 (2011).</li>
<li>Ho, J. C., Yerushalmi, R., Jacobson, Z. A., Fan, Z., Alley, R. L., Javey, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+nanoscale+doping+of+semiconductors+via+molecular+monolayers%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Controlled nanoscale doping of semiconductors via molecular monolayers.</a> Nat. Mater. 7, 62-67 (2008).</li>
<li>Koren, E., Rosenwaks, Y., Allen, J. E., Hemesath, E. R., Lauhon, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonuniform.+Doping+distribution+along+silicon+nanowires+measured+by+kelvin+probe+force+microscopy+and+scanning+photocurrent+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Nonuniform. Doping distribution along silicon nanowires measured by kelvin probe force microscopy and scanning photocurrent microscopy.</a> Appl. Phys. Lett. 95, 092105(2009).</li>
<li>Wagner, R. S., Ellis, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+vapor-liquid-solid+mechanism+of+crystal+growth+and+its+application+to+silicon%5BTitle%5D)+AND+%22Trans.+Metall.+Soc.+AIME%22%5BJournal%5D)">The vapor-liquid-solid mechanism of crystal growth and its application to silicon.</a> Trans. Metall. Soc. AIME. 233, 1053-1064 (1965).</li>
<li>Cui, Y., Lauhon, L. J., Gudiksen, M. S., Wang, J., Lieber, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diameter-controlled+synthesis+of+single-crystal+silicon+nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Diameter-controlled synthesis of single-crystal silicon nanowires.</a> Appl. Phys. Lett. 78 (15), 2214-2216 (2001).</li>
</ol>

Es wurden keine Interessenkonflikte angegeben.

MLCD ist eine einfache und reproduzierbare Methode. Es muss jedoch auf die Oberflächenreinigung und Monolagenbildung geachtet werden. Die Piranha-Reinigung der Oberflächen vor dem MLCD-Prozess ist nicht nur wichtig, um mögliche Verunreinigungen zu vermeiden, sondern auch für die Initialisierung der Oberfläche für eine reproduzierbare Monolagenbildung, die reproduzierbare Ergebnisse zwischen den Prozessen liefert. Die Piranha-Behandlung führt zu einer Hydroxylierung der Oberflächengruppen, die für die Bindung der Vorläufe...

Die kontrollierte Oberflächendotierung von Halbleiterstrukturen mit makroskopischen Bereichen sowie auf der Nanoskala ist wichtig für fortschrittliche Halbleiterbauelementarchitekturen wie FinFet2,3, sowie für Nanostruktur-basierte Bauelemente wie Nanodraht-basierte Sensoren und Photovoltaik4-7. Vor kurzem haben wir die Monolayer-Kontaktdotierung (MLCD) für die wiederholbare, gleichmäßige Oberflächendotierung von Siliziumgrenzflächen mit makroskopischen und nanometrischen Dimensionen mit Kontrolle über die Dotiermitteldosis und das Diffusionsprofil1 eingeführt. Ein wichtiges Merkmal der MLCD ist die Beschränkung der Monolagenbildung auf ein Substrat, das als "Donorsubstrat" bezeichnet wird. MLCD vereinfacht einige der Prozessschritte, die für die Monolayer-Kontaktdotierung (MLCD) erforderlich sind, und bietet ergänzende Oberflächendotierungsfunktionen8. Sobald das Donorsubstrat mit der dotierungsmittelhaltigen Monoschicht unter Verwendung einer selbstlimitierenden Oberflächenchemie beladen wird, wird das Donorsubstrat mit dem für die Dotierung vorgesehenen Substrat, dem sogenannten "Zielsubstrat", in Kontakt gebracht, und beide Substrate werden während des Kontakts geglüht. Während des Annealprozesses diffundieren Dotierungsatome sowohl zu Donor- als auch zu Zielsubstraten und werden bei erhöhter Temperatur aktiviert. Da MLCD keine hochenergetische Implantation von Dotierungsatomen erfordert, wird während des Prozesses keine strukturelle Schädigung des Halbleitergitters verursacht und es ist kein weiterer Glühschritt erforderlich. Eine gute Kontrolle der Dotierstoffdiffusion ist durch die Steuerung der schnellen thermischen Prozessparameter möglich. Ultraflache und gleichmäßige Diffusionslängen des Dotierungsmittels bis zu einigen Nanometern sind problemlos zu erreichen. Die Trennung der Monoschicht vom Prozessablauf vereinfacht den Prozess, ermöglicht eine bessere Kontrolle über die Prozessparameter und eröffnet neue Möglichkeiten für Dotierungsschemata, die mit anderen Methoden nicht möglich waren. Das Erreichen eines Dotierwerts, der so hoch ist wie die Löslichkeitsgrenze von Phosphor in Silizium, ist durch mehrere MLCD-Dotierungsprozesse möglich, die nacheinander angewendet werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass traditionelle Dotierungsmethoden bei der Herstellung ultraflacher Dotierungsprofile an intrinsische Einschränkungen leiden. Dies ist auf inhärente statistische Schwankungen der Quellenkonzentrationen, der Gesamtdosis und der Energieverteilung zurückzuführen, die den niedrigen Implantationsenergien inhärent sind, die für eine ultraflache Implantation erforderlich sind. MLCD bietet ein einfaches Mittel zur Oberflächendotierung, dies ist das Ergebnis der einzigartigen Eigenschaften von MLCD, die auf der präzisen Kontrolle der Dotiermitteldosis und -position auf atomarer Skala beruhen, indem eine robuste Oberflächenchemie zur Erzeugung der Dotierstoffquelle mit selbstlimitierender Monolagenchemie verwendet wird, die ausschließlich an der Halbleiteroberfläche gebildet wird.

<table><tbody><tr><td>Hochreine Siliziumwafer</td><td></td> <td>Topsil-50</td><td></td></tr> <tr><td>nm Si3N4/50 nm SiO2/Si Wafer</td><td>Silicon Valley Mikroelektronik-Schwefelsäure</td><td></td><td></td></tr> <tr><td>98%</td><td>BioLab</td><td>19550523</td><td></td></tr><tr><td>Wasserstoffperoxid 30%</td><td>J.T. Baker</td><td>2190-03</td><td></td></tr><tr><td>Ammoniumhydroxid 25%</td><td>J.T. Baker</td><td>6051</td><td></td></tr><tr><td>Ethanol</td><td>J.T. Baker</td><td>8025</td><td></td></tr><tr><td>Mesitylen</td><td>Sigma</td><td>M7200</td><td></td></tr><tr><td>Dichlormethan</td><td>Macron</td><td>4881-06</td><td></td></tr><tr><td>Tetraethylmethylendiphosphonat</td><td>Aldrich</td><td>359181</td><td></td></tr><tr><td>Mineralöl</td><td>Sigma</td><td>M3516</td><td></td></tr><tr><td>Flusssäure 49%</td><td>J.T. Baker</td><td>9564-06</td><td></td></tr><tr><td>Isopropanol</td><td>J.T. Baker</td><td>9079-05</td><td></td></tr><tr><td> N-Methyl-2-pyrrolidon </td><td>J.T. Baker</td><td>9397-05</td><td></td></tr><tr><td>AZ nLOF2020</td><td>AZ Electronic Materials</td><td>nLOF 2020</td><td></td></tr><tr><td>AZ 726 MIF</td><td>AZ Electronic Materials</td><td>726 MIF</td><td></td></tr><tr><td>Poly-L-Lysin-Lösung</td><td>Sigma</td><td>P8920</td><td></td></tr><tr><td>Goldkolloid Lösung</td><td>Ted Pella</td><td>82160-80</td><td></td></tr><tr><td>RTA-System</td><td>AnnealSys</td><td>MicroAS</td><td></td></tr><tr><td>4-Punkt-Sondenblatt Widerstandsmesssystem</td><td>Jandel</td><td>RM3-AR</td><td></td></tr><tr><td>Mask Aligner</td><td>Süss</td><td>MA06</td><td></td></tr><tr><td>e-Beam-Verdampfer</td><td>VST</td><td>TFDS-141E</td><td></td></tr><tr><td>Halbleiteranalysator</td><td>Agilent</td><td>B1500A</td><td></td></tr><tr><td>CVD-System</td><td></td> <td>-</td> <td>Eigenbau</td></tr></tbody></table>

monolayer kontakt dotierung von silizium-oberflächen und nanodrähte mit phosphororganische verbindungen

Monolayer Contact Doping of Silicon Surfaces and Nanowires Using Organophosphorus Compounds

Monolayer-Kontaktdotierung (MLCD) ist eine einfache Methode zur Dotierung von Oberflächen und Nanostrukturen1. MLCD führt zur Bildung von hochgradig kontrollierten, ultraflachen und scharfen Dotierungsprofilen auf der Nanometerskala. Beim MLCD-Prozess ist die Dotierungsquelle eine Monoschicht, die Dotierungsatome enthält.
In diesem Artikel wird ein detailliertes Verfahren zur Oberflächendotierung von Siliziumsubstraten sowie Silizium-Nanodrähten demonstriert. Die Phosphor-Dotierstoffquelle wurde unter Verwendung einer Tetraethylmethylendiphosphonat-Monoschicht auf einem Siliziumsubstrat gebildet. Dieses Monolayer-enthaltende Substrat wurde mit einem makellosen intrinsischen Silizium-Zielsubstrat in Kontakt gebracht und während des Kontakts geglüht. Der Schichtwiderstand des Zielsubstrats wurde mit einer 4-Punkt-Sonde gemessen. Intrinsische Silizium-Nanodrähte wurden durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) unter Verwendung eines Dampf-Flüssig-Feststoff-Mechanismus (VLS) synthetisiert; Goldnanopartikel wurden als Katalysator für das Wachstum von Nanodrähten verwendet. Die Nanodrähte wurden durch milde Beschallung in Ethanol suspendiert. Diese Suspension wurde verwendet, um die Nanodrähte auf ein Siliziumsubstrat mit einer dielektrischen Deckschicht aus Siliziumnitrid zu gießen. Diese Nanodrähte wurden auf ähnliche Weise mit Phosphor dotiert, wie sie für den intrinsischen Siliziumwafer verwendet werden. Das Standard-Photolithographie-Verfahren wurde verwendet, um Metallelektroden für die Bildung von Nanodraht-basierten Feldeffekttransistoren (NW-FET) herzustellen. Die elektrischen Eigenschaften eines repräsentativen Nanodrahtgeräts wurden mit einem Halbleiterbauelementanalysator und einer Sondenstation gemessen.

In Abbildung 1 sind repräsentative Ergebnisse für den Phosphor-MLCD-Oberflächendotierungsprozess dargestellt. Intrinsische Siliciumwafer wurden mit Phosphor-MLCD behandelt, wodurch sich die spezifischen Widerstandswerte kontinuierlich verringerten. Die spezifischen Widerstandswerte sinken bei längeren Temperzeiten und höheren Temperierungstemperaturen, wie durch die drei Kurven in Abbildung 1 veranschaulicht. Die spezifischen Widerstandswerte können mit der aktivierten Dotierstoffkonzent...

Ein detailliertes Verfahren zur Oberflächendotierung von Silizium-Grenzflächen wird bereitgestellt. Die ultraflache Oberflächendotierung wird durch die Verwendung von phosphorhaltigen Monoschichten und das Rapid Annealing-Verfahren demonstriert. Das Verfahren kann sowohl zur Dotierung von makroskopischen Flächenoberflächen als auch von Nanostrukturen eingesetzt werden.

Monolayer Kontakt Dotierung von Silizium-Oberflächen und Nanodrähte Mit Phosphororganische Verbindungen

Monolayer Contact Doping (MLCD) is a simple method for doping of surfaces and nanostructures1. MLCD results in the formation of highly controlled, ultra ...

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, eine flache Dotierung von Siliziumwafern und Nanodrähten mithilfe der Monolayer-Kontaktdotierung zu demonstrieren. Dies wird erreicht, indem ein Donatorsubstrat mit einer Vorläuferlösung zur Bildung einer selbstorganisierten Monolage umgesetzt wird. Die Monolage enthält potenzielle Dotieratome und dient als gut definierte und begrenzte Dotierstoffquelle.Im zweiten Schritt wird das Donatorsubstrat mit dem Targetsustrat in Kontakt gebracht, und beide werden in einem schnellen thermischen Annealsystem geglüht. Während des Annealprozesses zersetzen sich die Moleküle des Monolayers, und die Dotieratome diffundieren und werden in beiden Substraten, dem Donator- und dem Targetsubstrat, aktiviert. Anschließend werden die beiden Substrate voneinander getrennt, und eine Vierpunktmessanordnung wird zur Bestimmung des Flächenwiderstands verwendet.Die Ergebnisse zeigen eine typische Abnahme der gemessenen Flächenwiderstandswerte für die Zielsubstrate, die bei verschiedenen Annealzeiten und -temperaturen beobachtet wurde. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens gegenüber bestehenden Methoden wie der Ionenimplantation besteht darin, dass es eine einfache, aber zuverlässige Herstellung sehr flacher Dotierprofile ermöglicht. Diese Methode eignet sich zur Oberflächendotierung sämtlicher Wafer sowie von Nanostrukturen.Es kann auch für andere Systeme wie 3D-Gerätearchitekturen und mehr verwendet werden. Identifizieren Sie das Silizium und das Silikon mit dielektrischen Substraten, die als Ziel- und Donatorsubstrate dienen, und bereiten Sie diese auf die Arbeit mit Piranha-Lösung vor. Beschaffen Sie ausreichend saure Piranha-Lösung aus Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure, um die Substrate zu bedecken – hier etwa 120 Milliliter.Arbeiten Sie mit äußerster Vorsicht, wenn Sie mit der Piranha-Lösung umgehen. Legen Sie die Substrate in einen geeigneten Halter. Tauchen Sie den Halter 15 Minuten lang in die Piranha-Lösung ein.Nach 15 Minuten den Halter mit den Proben entnehmen und alles dreimal mit entionisiertem Wasser spülen. Anschließend den Halter und die Substrate in etwa 140 Milliliter einer basischen Peroxidlösung aus Ammoniumhydroxid, Wasserstoffperoxid und entionisiertem Wasser eintauchen. Dieses Gemisch acht Minuten lang in einem Ultraschallbad bei 60 Grad Celsius behandeln. Nach dem Ultraschallbad die Proben dreimal mit entionisiertem Wasser spülen, gefolgt von einer Spülung mit Ethanol.Anschießend unter einem Stickstoffstrom trockenblasen. Die Proben im Ofen bei 115 Grad Celsius für 10 Minuten trocknen. Zur Monoschichtbildung eine 1 %ige Volumenkonzentration von Tetraethylmethylen-diphosphat in Meline in einem druckfesten Gefäß herstellen.Es sollten etwa 20 Milliliter vorhanden sein, um die Donorsubstrate vollständig zu bedecken. Überführen Sie in diesem Fall die Donorsubstrate mit einer Pinzette in das Gefäß und stellen Sie sicher, dass sie bedeckt sind. Verschließen Sie anschließend das Gefäß.Erhitzen Sie das Gefäß zwei Stunden lang in einem Mineralölbad, das auf 100 Grad Celsius erhitzt wurde. Lassen Sie das Gefäß anschließend drei Minuten abkühlen. Öffnen Sie das Gefäß und spülen Sie die Proben dreimal mit Meline und dreimal mit Dichlormethan aus.Anschließend unter einem Stickstoffstrom trocken föhnen. Die Nanodrahtsynthese beginnt mit der Reinigung eines mikroskopischen Glasobjektträgers. Zwei Minuten im Sauerstoffplasma reinigen.Geben Sie einige Tropfen der Poly-L-Lysin-Lösung auf den Objektträger, um diesen vollständig zu bedecken. Warten Sie fünf Minuten, spülen Sie dann mit ionisiertem Wasser ab und trocknen Sie mit Stickstoff. Geben Sie nun einige Tropfen der Goldkolloid-Lösung auf den Objektträger, um diesen vollständig zu bedecken.Warten Sie zwei Minuten. Spülen Sie mit ionisiertem Wasser und trocknen Sie mit Stickstoff ab. Entfernen Sie organische Verunreinigungen durch 30 Sekunden Sauerstoff-Plasma-Behandlung.Fahren Sie fort, indem Sie den Objektträger mit Goldnanopartikeln in eine chemische Gasphasenabscheidungskammer einbringen und diese evakuieren. Päquilibrieren Sie die Kammer vollständig bei 440 Grad Celsius und 35 Tor bei einem Durchfluss von 50 normale Kubikzentimeter pro Sekunde molekularem Wasserstoff. Starten Sie dann den Abscheidungsprozess, indem Sie zwei normale Kubikzentimeter pro Sekunde Salin zuführen, um etwa 50 Mikrometer lange Nanodrähte zu erhalten.Führen Sie die Abscheidung 30 Minuten lang durch. Messen Sie danach die Nanodrähte mittels Mikroskopie. Nach der Messung der Drähte legen Sie den Objektträger mit dem Nanodrahtfilm ab. Geben Sie in ein Gefäß Ethanol, sodass der Objektträger etwa einen Zentimeter bedeckt ist. Beschallen Sie das Gefäß drei Sekunden lang, wobei die Lösung leicht trüb werden sollte. Heizen Sie einen Heizblock auf 150 Grad Celsius vor.Danach eine Siliziumnitrid-Siliziumdioxid- oder Silikon-Substrat darauf platzieren. Einige Tropfen der Nanodraht-Suspension auf die beheizte Oberfläche geben. Sobald die Flüssigkeit verdunstet ist, die Dichte der Nanodrähte auf der Oberfläche mit einem optischen Mikroskop und Dunkelfeldfilter überprüfen.Um eine hohe Ausbeute an einzelnen Nanodraht-Bauelementen zu erzielen, sollte dieser Tropfengussprozess Oberflächendichten von etwa 100 Nanodrähten pro Quadratmillimeter erzeugen, wobei eine minimale Nanodrahtlänge von etwa 20 Mikrometern erreicht werden soll. Um eine Dotierung zu erzielen, müssen das Substrat mit den Nanodrähten und das Donatormaterial in Kontakt gebracht werden. Platzieren Sie das Zielsubstrat in der Kammer der schnellen thermischen Behandlung.Platzieren Sie das Donorsubstrat mit der Vorderseite auf dem Targets­ubstrat. Starten Sie den Anal­prozess. Diese Proben werden einer sechssekündigen Rampe unterzogen.Zeit von Raumtemperatur bis zur Haltephase bei einer analen Temperatur von 1000 Grad Celsius für 40 Sekunden. Sobald die monolagige, kontaktgepumpte Probe hergestellt ist, bereiten Sie die Messung ihres Widerstands vor. Beschaffen Sie eine 1 %ige Flusssäurelösung und legen Sie die Probe fünf Minuten lang hinein.Um die Oxidschicht zu entfernen, spülen Sie mit ionisiertem Wasser. Anschließend mit Isopropanol spülen und mit Stickstoff abblasen. Messen Sie den Flächenwiderstand mit der Vier-Punkt-Messsonden-Technik.Der typische angelegte Strom beträgt ein bis zehn Mikroampere. Übliche Photolithographietechniken werden verwendet, um schematisch Nanodrahtvorrichtungen herzustellen. Beginnen Sie mit der Probe, die Nanodrähte enthält.Erhitzen Sie die Probe, dann zentrifugieren. Beschichten Sie sie mit einem Fotolack. Nach dem Aushärten des Lacks das Elektrodenmuster mit einem Maskenaligner belichten und die Proben entwickeln.Spülen und trocknen Sie die Proben. Verdampfen Sie anschließend mittels eines Elektronenstrahl-Verdampfers Nickel auf die Oberflächen. Führen Sie abschließend einen Liftoff durch, um die Geräte freizulegen, erfolgreich gebildete Nanodraht-Feldeffekttransistoren zu lokalisieren und deren Positionen zu registrieren.Verwenden Sie ein optisches Mikroskop mit Dunkelfeldfilter. Zur Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien (IV-Kurven) der ausgewählten Bauelemente wird ein Halbleiter-Device-Analysator in Kombination mit einer Probestation verwendet. Schließen Sie eine leitfähige Probeplatte als Gate-Anschluss an den Analysator an.Platzieren Sie dann die Probe darauf. Schließen Sie die Sondennadeln als Source- und Drain-Anschlüsse an den Analysator an. Verwenden Sie anschließend die Mikroskopkamera der Probestation, um die Sondennadeln nahe an das Bauelement heranzuführen, und berühren Sie vorsichtig die Elektroden mit den Nadeln.Fahren Sie mit den Messungen fort. Die Behandlung von intrinsischen Siliziumwafern mit einer Phosphoreinzelchicht durch Kontakt-Dotierung führt zu einer monotonen Abnahme der Flächenwiderstandswerte in Abhängigkeit von längeren Anzeiten, wobei längere Anzeiten zu höheren Dotierkonzentrationen führen, ebenso wie höhere Anzetemperaturen. Niedrigere Flächenwiderstandswerte korrelieren mit der aktivierten Dotierkonzentration, wobei niedrigere Flächenwiderstände auf höhere Dotiergrade hinweisen.Eine weitere Erhöhung der Annealzeit führt nicht zu einer weiteren Verringerung des Flächenwiderstands, da die Dotierstoffdosis begrenzt ist. Dieses Diagramm zeigt Strom-Spannungs-Kennlinien von Nanodraht-Feldeffekttransistoren. Die schwarze Kurve gilt für ein intrinsisches Bauelement.Vergleichen Sie dies mit der blauen Kurve für das mäßig dotierte Monolayer. Kontakt-dotiertes FET in Blau. Es wurde bei 900 Grad Celsius für Sekunden geknickt.Die rote Kurve zeigt ein stark dotiertes Bauelement, das bei 1005 Grad Celsius für 10 Sekunden geglüht wurde. Nach diesem Verfahren können weitere Methoden wie die Flugzeitmessung oder die Sekundärionen-Massenspektrometrie durchgeführt werden, um Eigenschaften wie Dotierkonzentrationsprofile weiter zu charakterisieren. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie das Einzelkontakt-Dotierverfahren verwendet wird, um extrem flache Dotierprofile auf Wafern und Nanodrähten herzustellen.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Hier beschreiben wir eine einfache Methode zur Strukturierung oxidfreie Silizium und Germanium mit reaktiven organischen Monoschichten und demonstrieren Funktionalisierung der strukturierten Substraten mit kleinen Molekülen und Proteinen. Der Ansatz vollständig schützt Oberflächen durch chemische Oxidation, ermöglicht eine präzise Kontrolle über Funktion Morphologie und bietet leichten Zugang zu chemisch diskriminiert Muster.

Soft-Lithographie Funktionalisierung und Strukturierung Oxydfreie Silizium und Germanium

Biosensoren Verbindung mit komplexen, biologischen Umgebungen und führen gezielte Erkennung durch die Kombination von hochempfindlichen Sensoren mit sehr spezifischen Sonden, die an dem Sensor über Oberflächenmodifizierung. Hier zeigen wir die Funktionalisierung der Oberfläche von Silica optische Sensoren mit Biotin mit Silankupplungsmittel, um den Sensor und die biologische Umwelt zu überbrücken.

Anbringen biologischen Sonden zur Silica Optische Biosensoren Mit Silane Coupling Agents

Quelle: Rosenberg, M., et al. Design von porösen Siliziumfilmen als Träger des Nervenwachstumsfaktors. J. Vis. Exp. (2019).Dieses Video zeigt die Verwendung einer abbaubaren nanostrukturierten porösen Siliziumfolie (PSi) für die verzögerte Freisetzung des Nervenwachstumsfaktors (NGF) zur Unterstützung der PC12-Zelldifferenzierung. NGF wird durch elektrostatische Wechselwirkungen an den Poren der Folie adsorbiert und durch Diffusion und Gerüstabbau allmählich an das Medium abgegeben. Diese...

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Wir berichten von einem Verfahren der in situ Veränderung der HF behandelt Si (001) -Oberfläche in einer hydrophilen oder hydrophoben Zustand durch Bestrahlen Proben in Mikrofluidkammern mit H 2 O 2 / H 2 O-Lösung (0,01% -0,5%) oder Methanol-Lösungen gefüllt mittels gepulster UV-Laser mit einer relativen niedrigen Impulsfluenz.

Selektive Bereichsänderung des Siliziumoberfläche Benetzbarkeit durch gepulste UV-Laser-Bestrahlung in flüssigen Umgebung

Der Herstellungsprozess und experimentelle Charakterisierungstechniken, die für Einzelelektronenpumpen auf Basis von Silizium-Metalloxid-Halbleiter-Quantenpunkten relevant sind, werden diskutiert.

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Wir beschreiben die Ansätze für die Bauelementherstellung und die elektrische Charakterisierung von Molybdändiselenid (MoSe2) Schicht-Halbleiter-Nanostrukturen mit unterschiedlichen Dicken. Darüber hinaus wird die Herstellung von ohmschen Kontakten für MoSe 2-Lagen-Nanokristalle durch das Verfahren der fokussierten Ionenstrahlabscheidung unter Verwendung von Platin (Pt) als Kontaktmetall beschrieben.

Ohmsche Kontakt Fabrication unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahl-Technik und Elektrische Charakterisierung für Layer-Halbleiter-Nanostrukturen

A RT flüssige Oberflächenpassivierung Technik, um die Rekombination Aktivität von Bulk-Silizium-Defekte zu untersuchen beschrieben. Für die Technik erfolgreich ist, drei kritische Schritte erforderlich sind: (i) chemische Reinigen und Ätzen von Silizium, (ii) Eintauchen des Silizium in 15% Fluorwasserstoffsäure und (iii) Beleuchtungs für 1 min.

Leicht verbesserte Flusssäure Passivierung: eine empfindliche Technik zum Nachweis von Bulk-Silizium-Defekte

Wir beschreiben Schlüsselschritte für die Biosensorik unter Verwendung von Polysilizium-Nanodraht-Feldeffekttransistoren, einschließlich der Vorbereitung des Geräts und der Immobilisierung und Bestätigung einer DNA-Molekülsonde auf der Nanodrahtoberfläche, sowie Bedingungen für die DNA-Sensorik.

Herstellung von Silizium-Nanodraht-Feldeffekttransistor für chemische und Biosensorik Anwendungen

Wir präsentieren Ihnen eine detaillierte Methode, um eine verformbare seitliche NIPIN Fototransistor-Array für gebogene Bildsensoren zu fabrizieren. Der Fototransistor-Array mit einer offene Mesh-Form, die von dünnen Silizium-Inseln und dehnbare Metall Verbindungsleitungen zusammengesetzt ist, bietet Flexibilität und Dehnbarkeit. Der Parameter-Analyzer charakterisiert die elektrischen Eigenschaften von den vorgefertigten Fototransistor.

Herstellung von flexiblen Bildsensor basierend auf seitliche NIPIN Fototransistoren

Oberfläche Herstellungsmethoden für gemusterte Ablagerung von Nanometer dicken Pinsel oder Mikrometer dick, querverbunden Filme von einer Azlactone-Block-Copolymer werden gemeldet. Kritischen experimentellen Schritte, repräsentative Ergebnisse und Grenzen der einzelnen Methoden werden diskutiert. Diese Methoden sind hilfreich für die Erstellung von funktionaler Schnittstellen mit maßgeschneiderten Körpermerkmale und einstellbaren Oberfläche Reaktivität.

Herstellung von reaktiven Oberflächen mit Pinsel-Like und querverbunden Filme von Azlactone funktionalisiert Block-Copolymere

Wir zeigen die Synthese von Fusogenic poröses Silizium-Nanopartikeln für effektive in vitro und in vivo Oligonukleotid-Lieferung. Poröses Silizium-Nanopartikeln sind beladen mit SiRNA den Kern bilden die durch Fusogenic Lipide durch Extrusion die Shell zu bilden beschichtet ist. Targeting glyko-Funktionalisierung und Partikelcharakterisierung sind im Preis inbegriffen.

Synthese, Funktionalisierung und Charakterisierung von Fusogenic poröses Silizium-Nanopartikeln für Oligonukleotid-Lieferung

Lernen Sie die Monolayer-Kontaktdotierung von Silizium-Oberflächen und Nanodrähten mit phosphororganischen Verbindungen. Diese Methode ermöglicht präzise, flache Dotierprofile für Halbleiteranwendungen.

Monolayer Kontakt Dotierung von Silizium-Oberflächen und Nanodrähte Mit Phosphororganische Verbindungen

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