В этом документе, поток, помощь диэлектрофореза продемонстрировал для самостоятельной сборки из нанопроволоки устройств. Производство кремния нанопроволоки полевой транзистор приводится в качестве примера.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
При содействии потока диэлектрофореза: Низкая стоимость метод для изготовления высокой производительности решения обрабатываемых нанопроволоки устройств
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
При содействии потока диэлектрофореза (DEP) является эффективной самостоятельной сборки метода для управляемых и воспроизводимые позиционирования, выравнивание и выбор нанопроволоки. DEP используется для анализа нанопроволоки, характеристика и на основе решения изготовления полупроводниковых устройств. Метод работает путем применения переменного электрического поля между металлическими электродами. Формулирование нанопроволоки затем упал на электроды, которые находятся на наклонной поверхности для создания потока разработки с помощью гравитации. Нанопроволоки затем выровнять вдоль градиента электрического поля и в направлении потока жидкости. Частота поля может корректироваться выбрать нанопроволоки с превосходной проводимости и нижней плотности ловушку.
В этой работе при содействии потока DEP используется для создания нанопроволоки полевых транзисторов. При содействии потока DEP имеет ряд преимуществ: он позволяет выбирать нанопроволоки электрические свойства; контроль над нанопроволоки длины; размещение нанопроволоки в конкретных областях; контроль над ориентации нанопроволоки; и контроль над нанопроволоки плотности в устройстве.
Методика может быть расширена для многих других приложений, таких как газовые датчики и переключатели Микроволновая печь. Техника эффективных, быстрый, воспроизводимые, и она использует минимальное количество разбавленный раствор, что делает его идеальным для тестирования новых наноматериалов. Вафельные масштаба Ассамблеи нанопроволоки устройств также может быть достигнуто с помощью этого метода, позволяя большое количество образцов для тестирования и большой площади электронных приложений.
Введение
Контролируемые и воспроизводимые Ассамблея наночастиц в местах предопределенных субстрата является одной из главных задач в решение обрабатываются электронные и фотонные устройств, использующих наночастиц полупроводниковой или проведения. Для высокопроизводительных устройств это также очень полезно иметь возможность выбрать наночастиц с размеров преференций и частности электронных свойств, включая, например, высокой теплопроводностью и низкой плотности поверхности ловушки государств. Несмотря на значительный прогресс в росте наноматериалов, включая нанопроволоки и нанотрубок материалы всегда присутствуют некоторые вариации свойств наночастиц, и этап выбора может значительно улучшить производительность устройств на основе наночастиц1 ,2.
Цель метода при содействии потока DEP продемонстрировали в этой работе является для решения упомянутых выше проблем, показывая контролируемый полупроводниковые нанопроволоки Ассамблеи на металлические контакты для высокой производительности нанопроволоки транзисторы field-effect. DEP решает несколько проблем нанопроволоки устройства изготовления за один шаг, включая позиционирование нанопроволоки, выравнивание/ориентация нанопроволоки и выбор нанопроволоки с желаемые свойства через DEP сигнал частотой отбора1. DEP был использован для многих других устройств, начиная от газовых датчиков3, транзисторов1, и Радиочастотные ключи4,5, для позиционирования бактерий для анализа7.
DEP это манипуляции рассмотрено частиц через применение неоднородной электрического поля, что приводит к нанопроволоки самостоятельной сборки через электроды8. Этот метод был первоначально разработан для манипулирования бактерий9,10 но расширилась в манипуляции нанопроволоки и наноматериалов.
DEP решения обработки наночастиц позволяет полупроводниковые устройства изготовления, что значительно отличается от традиционных методов сверху вниз, основанный на нескольких photomasking, ионной имплантации, высокая температура14, отжига и травления шаги. Так как DEP манипулирует наночастицы, которые уже были синтезированы, это техника низких температур, снизу вверх изготовление11. Этот подход позволяет крупномасштабных нанопроволоки устройства монтируются на практически любой поверхности, включая чувствительных к температуре, гибкие пластиковые субстраты6,12,13.
В этой работе транзисторы field-effect высокой производительности p типа кремния нанопроволоки изготовлены с использованием потока помощь DEP, и проводится FET вольт амперных характеристик. Кремния нанопроволоки, используемые в этой работе выращиваются через15,метод Super жидкости жидкие твердых (SFLS)16. Нанопроволоки намеренно легированных и примерно 10-50 мкм в длину и 30-40 Нм в диаметре. Метод SFLS роста является очень привлекательным, поскольку он может предложить отрасли масштабируемый количество нанопроволоки материалы15. Методология Ассамблея предлагаемого нанопроволоки непосредственно применимо к другим полупроводниковых материалов нанопроволоки InAs13, SnO23и Ган18. Метод также может быть расширен, для выравнивания проводящих нанопроволоки19 и позиционировать наночастиц через электрод пробелы20.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
Предупреждение: Все процедуры если иное указано место в чистой комнате окружающей среды и риска оценки было сделано для обеспечения безопасности во время нанопроволоки и химических веществ. Наноматериалы может иметь ряд последствий для здоровья, которые являются как пока неизвестно и поэтому должно быть обработано с соотвествующим уход21.
Примечание: Этот процесс начинается с подготовки субстрата, следуют первые шаги осаждения фотолитографии и металла для определения DEP контактов. Нанопроволоки затем собираются через DEP и шаг далее необязательные офсетным и металлов осаждения могут быть выполнены на хранение Топ контактов на нанопроволоки. Вольт амперные характеристики устройств транзистор нанопроволоки затем измеряются с помощью комплекта характеристик полупроводниковых.
1. Подготовка поверхности
- Нарежьте легированных n типа кремния/кремниевой пластины диоксида подходящих размеров, например, 2,5 см2.
- Во время резки, обеспечить верхней поверхности пластины не коснулся или поцарапан.
- Запуск Чертилка алмазов по всей поверхности в одном непрерывном движении сделать разрез.
- Разделение пластин вдоль разреза.
- Поместите образцы на субстрат держатель и sonicate 5 мин в ультразвуковой ванне на 100% мощности (450 Вт), сначала в дейонизированной воде, затем ацетон и, наконец, изопропиловый спирт (IPA).
Примечание: См. Таблицу материалов для КАС и поставщиков. - Сухие субстраты с ружьем азота, чтобы удалить любые оставшиеся IPA или пыли с поверхности.
- Плазмы золы образцы в плазме кислород в 100 Вт 5 минут, чтобы удалить все оставшиеся органические остатки.
2. Фотолитография бислой процесс для контактов
Примечание: Процесс фотолитографии бислой используется для создания электродов. Процесс фотолитографии проводится в желтой комнате, чтобы предотвратить разрушение фоторезиста материалов.
- Тепла образца при 150 ° C 15 мин с использованием плитой, чтобы удалить любые остатки воды от поверхности.
Примечание: Это для обеспечения адгезии фоторезиста; Однако химические грунты такие HMDS может также использоваться. - Удалить образец из поджарки и поместите его на спин coater.
- С помощью пипетки, падение приблизительно в 1 мл фоторезиста A на поверхности, пока весь образец равномерно покрыто.
Примечание: Смотрите Таблицу материалов для точного фоторезиста используется. - Спиновые образца при 4000 об/мин 45 сек, для получения пленки толщиной приблизительно 250 Нм. Если электроды, толще, чем 150 Нм должны быть сданы на хранение, изменить этот рецепт.
- Удалить образец из спин coater и поместите его на конфорку при 150 ° C за 5 мин.
- Удалить образец из конфорку и оставить образец, чтобы отдохнуть в течение 5 мин в коробке 50% влажности. Это обеспечить регидратации фоторезиста22.
Примечание: Если влажность лаборатории больше чем 50%, образец может остаться на отдых в воздухе. - Поместите образцы обратно на спин coater и Пипетка примерно 1 мл фоторезиста B на поверхности субстрата.
- Спиновые образца при 3500 об/мин 45 сек, давая пленки толщиной приблизительно 500 Нм.
- Поместите образец на конфорку на 120 ° C на 2 мин.
- Удаление образца с плитой и отпусков для отдыха в коробке влажность 50% за 5 мин.
- Разоблачить образца с помощью маски выравниватель и фотошаблонов для УФ-излучения для 6.7 s для в общей сложности 180 МДж воздействия.
Примечание: Точное Экспозиционная доза может потребоваться корректироваться в зависимости от конкретной модели маска каппу. - Удалить образец из маски выравниватель и развивать, погружая его в фоторезиста разработчик для 30 s.
Примечание: Смотрите Таблицу материалов для точного разработчика. - Удалить образец от разработчика, погрузить образец в деионизированную воду и промойте его остановить процесс развития.
- Проверьте с помощью оптического микроскопа фотолитографии. Поляризатор может использоваться для проверки бислой подрез, который должен отображаться как слабые линии вокруг канала. Время может быть скорректирована, если слишком много или два немного подрезать достигается.
3. Нанесение металлических контактов
Примечание: Электронный луч (E-луч) осаждения используется для депозита электродов на подготовленный фоторезиста. Этот процесс можно также использовать тепловые испарители или другие типы методов осаждения металла тонкой пленкой.
- Поместите образцы в зале заседаний E-луч; насос его вниз, пока не будет достигнут высокий вакуум. В этом случае достигается вакуум около 1 x 10-6 mTorr.
- Депозит, 2-6 Нм титана, который действует как адгезионный слой следуют 30 nm золота для DEP контактов.
- Удаление образцов из E-луч камеры.
- Выполните процедуру взлета, удалив большую часть фоторезиста и избыток металла. Это делается путем размещения образцов в стакан для удаления фоторезиста на 15 мин.
- Удаление образцов из стакан для удаления фоторезиста A и поместить в другой чистый стакан для удаления фоторезиста еще 15 мин. Это необходимо для предотвращения любых крупных металлических частиц от урегулирования на образце.
- Полная старт, sonicating стакан для 5 минут при 50% мощности.
- Удаление образцов из бани по одному, обеспечение того, чтобы смыть любой материал с IPA, чтобы предотвратить нежелательные частицы металла от урегулирования между электродами.
Примечание: Электроды готовы сейчас для DEP выравнивание нанопроволоки.
4. DEP нанопроволоки
- Подготовьте раствор кремния или других нанопроволоки в Анизол примерно 1 мкг/мл, концентрация. В этом эксперименте, решение кратко sonicated 15 s при минимальной мощности установки можно удалить любой флокуляции. Другие растворители могут использоваться как толуол и N, N-Диметилформамид (DMF)1.
- Проверьте решение, падение, кастинг 10 мкл нанопроволоки формулировки на жертвенных подложке.
- Осмотрите субстрат с депозита нанопроволоки, с помощью поляризованных оптический микроскоп (POM). Кремния нанопроволоки Двулучепреломление и следовательно можно легко увидеть в POM. Если видны не сгустки нанопроволоки, и большинство нанопроволоки хорошо разгоняются на подложке, то можно начать следующий этап, в противном случае решение повторно sonicated и концентрации нанопроволоки, возможно, потребуется скорректировать. Это может занять несколько попыток добиться правильного нанопроволоки дисперсии.
- Место подготовленного образца с электродами на 30° (против горизонт) Наклонные платформы с каналом устройство горизонтально. Направление потока рассеяния должно быть перпендикулярно края электродов позволяет эффективнее нанопроволоки выравнивание.
- Контакт электродов с помощью микро датчики подключены к частоты генератора1.
- Набор желаемой частоты и напряжения находятся на частоты генератора. В этом эксперименте используйте DEP сигнал напряжения 10 V пик пик и синусоида 1 МГц.
Примечание: Увеличение частоты до 20 МГц может помочь собрать нанопроволоки с высокой теплопроводностью и низким ловушку плотность1,2. Смотрите ссылку1 для подробного обсуждения. Диапазон частот сигнала DEP, указанных здесь был получен путем проведения SFLS Si нанопроволоки импедансной спектроскопии и коллекции время анализа, как описано в ссылка1. Другие типы из нанопроволоки с выше или ниже заряда перевозчик мобильности, легированных нанопроволоки, или нанопроволоки, полученные другими методами роста может иметь различные DEP сигнала частотный диапазон, что приводит к коллекции нанопроволоки высокого качества. - Генератор частоты включения и падение приблизительно 10 мкл раствора нанопроволоки, используя микропипеткой на область устройства.
Примечание: Размещение образца под углом (30°) помогает создать при содействии тяжести медленным потоком жидкости. Кроме того капиллярность с использованием стекла слайд может быть используется6. - Применить DEP сигнал для 30 s и затем выключатель генератора частоты.
- Удаление образца и очень осторожно промойте IPA.
- Сухой офф образца очень аккуратно с помощью азота пистолет. Поляризованные оптический микроскоп может использоваться для проверки образца и настроить параметры
Примечание: DEP сигнал напряжения, частоты и плотность рассеивания нанопроволоки может регулироваться для достижения воспроизводимые желаемой плотности нанопроволоки, от нескольких нанопроволоки до нескольких сотен в устройство1,2.
5. нанесение дополнительного слоя металла
- Чтобы добиться улучшения текущего инъекции в NW FETs, примените второй металлический контакт на вершине нанопроволоки.
Примечание: Этот процесс контактов осаждения следует точно же шаги, что разделы 2 и 3, фотолитографии и осаждения металла, за исключением того, что только золотой слой наносится.
6. I-V характеристика нанопроволоки устройств
Примечание: Образцы уже завершены и могут быть использованы в последующих экспериментов или их характеристики-V может быть измерена учредить нанопроволоки FET электрических свойств. Сфабрикованы устройства являются воротами вернуться FETs, где легированных кремниевой пластины служит общей ворот, и SiO2 слой служит диэлектрик ворота.
- Чтобы установить Электрический контакт с воротами, удалите небольшой площади оксида кремния на краю образца с помощью алмазного Чертилка.
- Используйте пистолет азота для удаления нежелательных диоксида кремния частиц.
- Место три микрозондов (источник, процедить и ворота) на электрод контактов золото источника стока, с воротами зонд на площади с удалены SiO2.
- Используйте систему характеризация полупроводников для измерения-V.
- Измерения передачи и вывода сканирует NW FETs, как они дают информацию о производительности устройство и электрические свойства нанопроволоки1,17,23. Обратите внимание, что передача измерения включают степпинга источника стока и широкие ворота напряжения. Выходные характеристики измеряются подметальные напряжения источника стока и степпинг напряжение затвор.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Бислой фотолитографии результатов в чистом резко определены электродов. В этом примере (рис. 1A) между digitated палец структура использовался канал длиной 10 мкм. Эти структуры позволяют большой площади собрать максимальное количество нанопроволоки, когда сила DEP применяется. Рисунок 1B показана схема устройства нанопроволоки FET снизу ворота.
Неправильные нанопроволо...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Успешное производство и производительность устройств зависит от ряда ключевых факторов. К ним относятся нанопроволоки плотности и распределения в разработке, выбор растворителя, частота DEP и управления количество нанопроволоки настоящее на электроды устройства1.
Одним из важнейших шагов в достижении повторяемые рабочих устройств является подготовка нанопроволоки формулировки без кластеров или сгустки. Формулировка может sonicated до DEP сократить количество сгустки и п...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы подтверждают, что существует отсутствие конфликта интересов.
Благодарности
Авторы хотели бы поблагодарить ESPRC и BAE системы финансовой поддержки и профессор Брайан а. Korgel и его группа на поставку SFLS выращивается кремния нанопроволоки, используемые в этой работе.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Пластина из кремния/диоксида кремния, рост методом CZ, диаметр 100 мм, Термический рост оксида 300 нм, n-легированный фосфор | Si-Mat (силиконовые материалы) | - | http://si-mat.com/ |
| Ацетон (200 мл) | Sigma Aldrich | W332615-изопропанол | |
| (200 мл) | Sigma Aldrich | ||
| W292907-деионизированная вода (150 мл) | Поставка на месте | - | - T |
| Фоторезист (A) SF6 PMGI под травлением фоторезита (около 1 мл на образец) | Microchem | - | http://microchem.com/pdf/PMGI-Resists-data-sheetV-rhcedit-102206.pdf |
| фоторезист (B) фоторезит S1805) (около 1 мл на образец) | Microchem | - | http://www.microchem.com/PDFs_Dow/S1800.pdf |
| Проявитель фоторезиста Microposit MF319 (100 мл) | Микрохим | - | http://microchem.com/products/images/uploads/MF_319_Data_Sheet.pdf |
| Средство для удаления фоторезиста Microposit remover 1165 (300мл (2 ванны по 150)) | Microchem | - | http://micromaterialstech.com/wp-content/dow_electronic_materials/datasheets/1165_Remover.pdf |
Ссылки
- Constantinou, M., Rigas, G. P., et al. Simultaneous Tunable Selection and Self-Assembly of Si Nanowires from Heterogeneous Feedstock. ACS Nano. , (2016).
- Constantinou, M., Hoettges, K. F., et al. Rapid determination of nanowires electrical properties using a dielectrophoresis-well based system. App. Phy. Lett. 110 (13), 1-6 (2017).
- Huang, H., Lee, Y. C., Tan, O. K., Zhou, W., Peng, N., Zhang, Q. High sensitivity SnO2 single-nanorod sensors for the detection of H2 gas at low temperature. Nanotech. 20 (11), 115501(2009).
- Rutherglen, C., Jain, D., Burke, P. Nanotube electronics for radiofrequency applications. Nat. nanotech. 4 (12), 811-819 (2009).
- Kang, M. G., Hwang, D. H., Kim, B. S., Whang, D., Hwang, S. W. RF characterization of germanium nanowire field effect transistors. AIP Conf. Proc. 1399 (2011), 319-320 (2011).
- Collet, M., Salomon, S., et al. Large-scale assembly of single nanowires through capillary-assisted dielectrophoresis. Adv. Mat. 27 (7), 1268-1273 (2015).
- Pethig, R. Dielectrophoresis: Status of the theory, technology, and applications. Biomicrofluidics. 4 (2), (2010).
- Jones, T. B. Electromechanics of particles. (2), Cambridge University Press. (1995).
- El-Ali, J., Sorger, P. K., Jensen, K. F. Cells on chips. Nat. 442 (7101), 403-411 (2006).
- Doh, I., Cho, Y. H. A continuous cell separation chip using hydrodynamic dielectrophoresis (DEP) process. Sensrs. and Actrs, A: Phys. 121 (1), 59-65 (2005).
- Freer, E. M., Grachev, O., Duan, X., Martin, S., Stumbo, D. P. High-yield self-limiting single-nanowire assembly with dielectrophoresis. Nat. nanotech. 5 (7), 525-530 (2010).
- Monica, A. H., Papadakis, S. J., Osiander, R., Paranjape, M. Wafer-level assembly of carbon nanotube networks using dielectrophoresis. Nanotech. 19, 85303(2008).
- Raychaudhuri, S., Dayeh, S. A., Wang, D., Yu, E. T. Precise semiconductor nanowire placement through dielectrophoresis. Nano Lett. 9 (6), 2260-2266 (2009).
- Schmidt, V., Riel, H., Senz, S., Karg, S., Riess, W., Gösele, U. Realization of a silicon nanowire vertical surround-gate field-effect transistor. Small. 2 (1), 85-88 (2006).
- Hanrath, T., Korgel, B. A. Supercritical fluid-liquid-solid (SFLS) synthesis of Si and Ge nanowires seeded by colloidal metal nanocrystals. Adv. Mat. 15 (5), 437-440 (2003).
- Heitsch, A. T., Akhavan, V. A., Korgel, B. A. Rapid SFLS synthesis of Si nanowires using trisilane with in situ alkyl-amine passivation. Chem. of Mat. 23 (11), 2697-2699 (2011).
- Constantinou, M., Stolojan, V., et al. Interface Passivation and Trap Reduction via a Solution-Based Method for Near-Zero Hysteresis Nanowire Field-Effect Transistors. ACS App. Mat. and Intf. 7 (40), 22115-22120 (2015).
- Kim, T. H., Lee, S. Y., et al. Dielectrophoretic alignment of gallium nitride nanowires (GaN NWs) for use in device applications. Nanotech. 17 (14), 3394-3399 (2006).
- Boote, J., Evans, S. Dielectrophoretic manipulation and electrical characterization of gold nanowires. Nanotech. 16 (9), 1500-1505 (2005).
- Gierhart, B. C., Howitt, D. G., Chen, S. J., Smith, R. L., Collins, S. D. Frequency Dependence of Gold Nanoparticle Superassembly by Dielectrophoresis. Langmuir. 23 (19), 12450-12456 (2007).
- Klaine, S. J., Alvarez, P. J. J., et al. Nanomaterials in the environment: behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. tox. and chem. / SETAC. 27 (9), 1825-1851 (2008).
- MicroChemicals Rehydration of Photoresists. , http://www.microchemicals.com/technical_information/photoresist_rehydration.pdf (2013).
- van Tilburg, J. W. W., Algra, R. E., Immink, W. G. G., Verheijen, M., Bakkers, E. P. A. M., Kouwenhoven, L. P. Surface passivated InAs/InP core/shell nanowires. Semicond. Sci. and Tech. 25 (2), 24011(2010).
- Krupke, R. Separation of Metallic from Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes. Sci. 301 (5631), 344-347 (2003).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
Теги
