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方法論記事

誘電泳動の流れ支援: 高性能低温硬化型ナノワイヤ デバイス作製のための低コストの方法

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DOI:

10.3791/56408

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2017年12月7日

 ,  , 
1Advanced Technology Institute, Electrical and Electronic Engineering, University of Surrey

この記事について

サマリー

本稿のアシストの誘電泳動を示したフローで、自己組織化ナノワイヤ デバイス。シリコン ナノワイヤ電界効果トランジスタの作製は、例として表示されます。

要約

流れによる誘電泳動 (DEP) は、効率的な制御の自己組織化法と再現性のある位置、配置、およびナノワイヤの選択。ナノワイヤ解析、特性評価、および半導体デバイスの作製をソリューション ベースの DEP を使用します。メソッドは、金属電極間交互になる電界を加えることによって動作します。ナノワイヤ形成は重力を使用して定式化のフローを作成する傾斜面にある電極に落ちた。ナノワイヤーは、勾配電界と液体の流れの方向に沿って配置します。優れた導電性と低いトラップ密度ナノワイヤを選択するフィールドの周波数を調整できます。

この作品で、DEP の流れによるナノワイヤ電界効果トランジスタの作成されます。DEP の流れによるいくつかの利点があります: それ選べるナノワイヤの電気的特性;ナノワイヤの長さの制御特定のエリアでナノワイヤの配置ナノワイヤー; の配向性制御ナノワイヤ デバイス密度の制御。

テクニックは、ガスセンサーやマイクロ波スイッチなど他の多くのアプリケーションに拡張できます。手法は効率的、迅速、再現できると新規ナノ材料のテストに最適希薄溶液の最小限の量を使用します。ナノワイヤ デバイスのウエハ スケール アセンブリすることもできますこのテクニックを使用して多数のサンプルのテストを可能にして大面積電子アプリケーション。

概要

定義済み基板位置におけるナノ粒子の制御で再現可能なアセンブリは、半導体または導電性ナノ粒子を用いた溶液プロセスによる電子・光デバイスにおける主要な課題のひとつです。高性能デバイスの優先サイズとなど、特定の電子物性、高導電性表面準位密度が低いとナノ粒子を選択できるようにする非常に有益なもです。ナノワイヤ ・ ナノチューブ材料のナノ成長で重要な進歩にもかかわらずナノ粒子特性のいくつかの変化が常に存在して選択のステップがナノ粒子ベースのデバイス パフォーマンス1 を大幅に向上することができます。 ,2。

この作品で紹介する流れ支援 DEP 方法の目的は、高性能ナノワイヤ電界効果トランジスタの金属の接触に制御可能な半導体ナノワイヤ アセンブリを示すことによって上記の課題に対処するためです。DEP は、ナノワイヤー、ナノの配置/方向と DEP 信号周波数選択1を介して所望の性質を持つナノワイヤーの選択の位置を含む単一の手順でナノワイヤ デバイス作製のいくつかの問題を解決します。DEP は、ガス センサー3トランジスタ1から及ぶ多数の他のデバイスに使用されているし、RF スイッチ4、5の分析7細菌の位置へ。

DEP は、不均一電界電極8間で自己組織化ナノワイヤにおける結果のアプリケーションを介して分極性粒子の操作です。メソッドは、細菌9,10の操作のために開発が以来、ナノワイヤー、ナノ材料の操作に拡張されています。

ナノ粒子の DEP ソリューション処理により、複数の photomasking、イオン注入、高温14、アニーリングおよびエッチングに基づく従来のトップダウン手法で大きく異なって半導体デバイス作製手順を実行します。DEP は、すでに合成されているナノ粒子を操作、低温、ボトムアップの作製手法11です。この方法は、温度に敏感な柔軟なプラスチック基板6,12,13を含むほぼすべての基板上に組み立てられる大規模なナノワイヤ デバイスをできます。

この作業の流れ支援 DEP を使用して高性能 p 型シリコン ナノワイヤ電界効果トランジスタを作製し、FET の電流-電圧特性を実施します。この作業で使用するシリコンナノ ワイヤは、スーパー液液体固体 (SFLS) 法15,16経由で栽培しています。ナノワイヤーは、意図的にドープ、長さ約 10-50 μ m、直径 30-40 nm です。SFLS 成長法は、スケーラブルなナノワイヤー材料15量業界をそれ提供していますので非常に魅力的です。提案ナノワイヤ アセンブリ方法論は InAs13SnO23, GaN18など半導体ナノワイヤー材料に直接適用されます。導電性ナノワイヤ19を整列し、ナノ粒子を電極のギャップ20にまたがって配置手法の拡張も可能します。

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プロトコル

注意: すべてのプロシージャ ナノワイヤーおよび化学薬品処理中に安全を確保するためクリーン ルーム環境とリスク評価で示された開催が行われているそれ以外の場合しない限り、します。ナノ材料が健康への影響のようである、まだ、未知の数を持っているし、適切に処理する必要がありますので気に21。

注: プロセスを DEP 連絡先を定義する最初の写真平版および金属蒸着の手順に続いて、基板の準備を開始します。ナノワイヤーは、DEP によって組み立てられて、さらに省略可能なフォトリソグラフィーと金属の蒸着手順を実行すると、ナノワイヤーにトップ連絡先を預金することができます。ナノワイヤ トランジスタのデバイスの電流-電圧特性は、半導体特性評価キットを使用して測定されます。

1. 基板の準備

  1. 適切なサイズ、例えば、2.5 cm2にドープした n 型シリコン/シリコン二酸化ウェハを切断します。
  2. 切削では、ウェハの上面の触れたまたは傷されていないを確認します。
  3. 1 つの連続的な動きにカットすることで表面にダイヤモンド スクライバーを実行します。
  4. カットに沿ってウェーハを分割します。
  5. 基板ホルダーのサンプルを配置し、脱イオン水、アセトン、そしてイソプロパノール (IPA) で、最初 100% 出力 (450 W) 超音波風呂で 5 分の超音波。
    注: は、CAS 番号とサプライヤーのための材料表を参照してください。
  6. 表面から残っている IPA やほこりを除去する窒素銃を持つ基板を乾燥させます。
  7. プラズマ灰 100 任意の残りの有機残基を削除する 5 分 W 酸素プラズマのサンプル。

2. フォトリソグラフィー バイレイヤー プロセスの連絡先

注意: バイレイヤー フォトリソグラフィ プロセスは、電極を作成する使用は。フォトリソグラフィ工程は、フォトレジスト材料の腐食を防ぐために黄色の部屋で行われています。

  1. 熱 150 ° c 15 分、ホット プレートを使用して表面から、残っている水を削除するサンプルです。
    注: これは、フォトレジストの密着性を確保するのにはしかし HMD など化学プライマーも使用します。
  2. サンプルをホット プレートから外し、スピン コーターの上に置きます。
  3. 表面にフォトレジスト A の約 1 mL をドロップ ピペットを使用して、サンプル全体が均一に覆われるまで。
    注: 使われる正確なレジスト材料の表を参照してください。
  4. 45 4,000 rpm でサンプルをスピン s、およそ 250 のフィルム厚さを生成する nm。電極と 150 よりも厚く、nm は、預入れは、このレシピを変更します。
  5. スピンコーターからサンプルを外し、5 分間 150 ° C でホット プレートの上に置きます。
  6. ホット プレートからサンプルを削除し、50% の湿度ボックスで 5 分の残りの部分にサンプルを残します。これは、フォトレジスト22の水分補給を確保するためです。
    注: 研究室の湿度が 50% を超えるは、空気の残りの部分にサンプルを残ることがあります。
  7. スピンコーターに戻るサンプルを配置し、基板の表面にフォトレジスト B 約 1 mL をピペットします。
  8. 45 3,500 rpm でサンプルをスピン s、約 500 の膜厚を与えて nm。
  9. 2 分の 120 ° C でホット プレートにサンプルを配置します。
  10. ホット プレート、5 分 50% 湿度ボックスの残りの部分に残してからサンプルを削除します。
  11. 6.7 のマスク露光装置、紫外線にフォトマスクを使用してサンプルを公開露出の 180 mJ の合計のための s。
    注: 正確な被曝線量は、マスクア ライナーの特定のモデルによって調整する必要があります。
  12. マスク ・ アライナからサンプルを削除し、レジスト現像液 30 でそれを浸すことによって開発 s。
    注: 正確な開発者の材料表を参照してください。
  13. 開発者からサンプルを削除、サンプルを脱イオン水に浸すし、開発プロセスを停止するそれをすすいでください。
  14. 光学顕微鏡を用いたフォトリソグラフィをチェックします。偏光板は、チャネルの周りかすかな線として現れるべき層アンダー カットを確認する使用できます。あまりにも多くの場合、時間を調整可能性がありますまたは 2 つを少し弱める達成です。

3. 蒸着金属接点の

注: 準備されたフォトレジスト上に電極を入金する電子ビーム (eb) 法が使用されます。このプロセスは、熱蒸発器または金属薄膜蒸着技術の他のタイプも使用できます。

  1. 電子ビーム室にサンプルを置く高真空に到達するまでは、ダウン ポンプします。この場合は、約 1 × 10-6 mTorr の真空に達する。
  2. 2-6 nm チタンの接着層として機能するの 30 に続いて DEP 連絡先のための金の nm。
  3. E チャンバーからサンプルを削除します。
  4. リフトオフ手順を実行するには、フォトレジストや余分な金属のほとんどを削除します。これは、15 分のフォトレジスト除去のビーカーにサンプルを置くことによって行われます。
  5. フォトレジスト除去 A のビーカーからサンプルを取り出し、さらに 15 分のフォトレジスト除去のもう一つのきれいなビーカーに置きます。これは、サンプルに沈降から任意の大きな金属の粒子を防ぐためです。
  6. 50% の電力で 5 分間ビーカーを sonicating によって完全なリフトオフ。
  7. 任意の材料、電極間をセトリングから不要な金属粒子を防ぐために IPA を洗い流すようにお風呂 1 つずつからサンプルを削除します。
    注: 電極、ナノワイヤの DEP の配置の準備整いました。

4. ナノワイヤーの DEP

  1. シリコンまたはアニソール約 1 μ G/ml の濃度で他のナノワイヤーの溶液を準備します。この実験では、ソリューションが簡単に超音波 15 s 最低消費電力設定任意の凝集を削除することが可能。その他の溶剤はトルエン ・ N, n-ジメチルホルムアミド (DMF)1など使用できます。
  2. ドロップいけにえ基板上にナノワイヤ製剤の 10 μ L を鋳造して解決策をチェックします。
  3. 基板を検査すると、堆積したナノワイヤーで偏光光学顕微鏡 (POM) を使用。シリコンナノ ワイヤは複屈折であり、それ故に見ることができる簡単にポンポンで。表示される、ナノワイヤの塊がないとナノワイヤーのほとんどは基板で解散もそれから次の段階を開始することができます、そうでなければ解決策は再熱量、ナノワイヤの濃度を調整する必要があります。正しいナノワイヤー分散を達成するためにいくつかの試みがかかることがあります。
  4. 揃えデバイス チャネルで傾斜 30 ° (地平線) 対に電極を作製した試料のプラットフォームを配置します。分散流れ方向より効率的なナノワイヤ配置できるように電極のエッジに垂直である必要があります。
  5. 周波数ジェネレーター1に接続されているマイクロ プローブを用いた電極と接触します。
  6. 必要な周波数、電圧、周波数発生器のセット。この実験では 10 V ピーク-ピークの DEP 信号電圧と 1 MHz の正弦波を使用します。
    注: 最大頻度を増やす 20 MHz は、高い導電性と低トラップ密度1,2ナノワイヤーを収集するために助けることができます。詳細については参考1を参照してください。DEP の信号周波数範囲ここに示されるは、参照1で説明するよう SFLS Si ナノワイヤー インピー ダンス分光コレクション時間、および分析を行うことにより得られました。その他の種類の上位または下位の電荷キャリア移動度とナノワイヤー、ナノワイヤー、添加または他の成長法により得られたナノワイヤーが異なる DEP 信号周波数高品質ナノワイヤーのコレクションの結果を持つことができます。
  7. スイッチ周波数発生器で、ナノワイヤのソリューション デバイス領域にマイクロ ピペットを使用しての約 10 μ L をドロップします。
    注: サンプルを (30 °) の角度で配置する液体の重力アシストの遅い流れを作成するのに役立ちます。また、ガラス スライドを使用した毛管作用は使用される6をすることができます。
  8. DEP を適用 30 s とし、スイッチオフ周波数発生器の信号。
  9. サンプルを削除して IPA で非常に軽くすすいでください。
  10. 非常に優しく窒素銃を使用してサンプルのドライを切ります。サンプルを検査し、パラメーターを調整する偏光光学顕微鏡を使用することがあります。
    注: DEP 信号電圧、周波数、およびナノワイヤー分散密度ナノワイヤ デバイス1,2あたり数百に少数のナノワイヤーからの再現性のある必要な密度を達成するために調整できます。

5. 二次金属層の堆積

  1. NW Fet で電流注入法改善を達成するため、ナノワイヤの上に 2 番目の金属接触を適用します。
    注: この連絡先成膜プロセスは、のみ金の層が堆積したことを除いてにセクション 2 および 3、フォトリソグラフィで金属蒸着として正確な同じ手順に従います。

6. I-V 特性評価ナノワイヤ デバイスの

注: サンプルが完了されるとその後の実験で使用することができます。 またはナノワイヤ FET の電気的特性を確立する彼らの I-V 特性を測定できます。試作した素子は背部ゲート Fet、ドープ シリコンのウエハは一般的なゲートとして機能、SiO2層をゲート絶縁膜として提供しています。

  1. ゲートで電気接触を確立するには、ダイヤモンド スクライバーを使用してサンプルの端にシリコン酸化膜の小さな領域を削除します。
  2. 窒素銃を使用すると、任意の望ましくない二酸化ケイ素の粒子を除去します。
  3. 削除された SiO2との区域上のゲート プローブでゴールド ソース-ドレイン電極接点 3 マイクロ (ソース、ドレインおよびゲート) を配置します。
  4. 半導体特性評価システムを使用すると、-V 測定します。
  5. デバイスのパフォーマンスとナノワイヤー1,17,23の電気的特性の情報を与えるこれら NW Fet の伝達と出力のスキャンを測定します。ステップのソース ・ ドレイン間電圧とゲート電圧が抜本的な移動測定が含まれることに注意してください。出力特性は、ソース ・ ドレイン間電圧をスイープし、ゲート電圧のステップによって測定されます。

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結果

きれいな二重膜フォトリソ結果鮮明電極であります。(図 1 a) の例で、digitated 間の指の構造は 10 μ m のチャネル長で使用されました。これらの構造は、DEP 力が適用される、ナノワイヤの最大数を組み立てるための大面積を許可します。図 1 bは、底部ゲート ナノワイヤ FET デバイスの概略を示しています。

不適切なナノワイヤー分散濃度も不十分ように超音波処理につながる質の悪い分散ドロップ キャスト例図 2 aに示すようにナノワイヤーのと図 2 bナノワイヤのかなりの量塊。図 2に示すように非常に密なナノワイ...

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ディスカッション

成功の作製とデバイスのパフォーマンスは、いくつかの要因に依存します。これらは定式化、無溶剤、DEP、回数、デバイス電極1のナノワイヤ存在数のコントロールの選択にナノワイヤ密度と分布を含めます。

再現性のある作業装置を達成する上で重要な手順の 1 つは、クラスターまたは群生せずナノワイヤの定式化の準備です。定式化は、DEP の塊の数を減らすこととナノワイヤー分散を維持するために前に超音波処理することができます。一度ソリューションの密度を作ったことができます制御が困難なナノワイヤーがより少なく密な定式化につながることができますを凝固する可能性が高い場合は特に。作成する界面活性剤を使用する可能性がありますが、界面活性剤は、デバイスのパフォーマンスの否定的な効果をもたらすかもしれない定式化を分散します。

図 2 aは、ドロップ キャスト堆積ナノワイヤー、塊のかなりの数の例を示しています。ナノワイヤーの塊が取り外しにくい場合、ナノ...

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開示事項

著者は、利害の対立がないことを確認します。

謝辞

著者は、金融支援、教授ブライアン a. Korgel ESPRC および BAE システムと SFLS この作業で使用するシリコン ・ ナノワイヤを成長の供給のための彼のグループに感謝したいと思います。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
シリコン/二酸化ケイ素ウェーハ、CZ法成長、直径100mm、  300 nm酸化物熱成長、  n-ドープリンSi-Mat(シリコン材料)-http://si-mat.com/
アセトン(200ml)シグマアルドリッチW332615-
イソプロパノール(200ml)シグマアルドリッチW292907-
脱イオン水(150ml)オンサイト供給--
フォトレジスト (A) SF6 PMGI under etch photoresit (approx 1 ml per sample)Microchem -http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf
フォトレジスト (B) S1805 photoresit) (1サンプルあたり約1 ml)Microchem -http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf
フォトレジスト開発会社 Microposit MF319 (100ミリリットル)マイクロケム -http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf
フォトレジストリムーバー マイクロポジットリムーバー 1165 (300ml (2槽 各150個))Microchem -http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf

参考文献

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