При содействии потока диэлектрофореза: Низкая стоимость метод для изготовления высокой производительности решения обрабатываемых нанопроволоки устройств

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 наночастиц^{1 ,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 ключи^4,5, 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 бактерий^9,10 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 субстраты^6,12,13.

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 через^15,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.

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

1. Нарежьте легированных n типа кремния/кремниевой пластины диоксида подходящих размеров, например, 2,5 см².
2. Во время резки, обеспечить верхней поверхности пластины не коснулся или поцарапан.
3. Запуск Чертилка алмазов по всей поверхности в одном непрерывном движении сделать разрез.
4. Разделение пластин вдоль разреза.
5. 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.
6. Сухие субстраты с ружьем азота, чтобы удалить любые оставшиеся IPA или пыли с поверхности.
7. 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.

1. 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.
2. Удалить образец из поджарки и поместите его на спин coater.
3. 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.
4. 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.
5. Удалить образец из спин coater и поместите его на конфорку при 150 ° C за 5 мин.
6. 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.
7. Поместите образцы обратно на спин coater и Пипетка примерно 1 мл фоторезиста B на поверхности субстрата.
8. Спиновые образца при 3500 об/мин 45 сек, давая пленки толщиной приблизительно 500 Нм.
9. Поместите образец на конфорку на 120 ° C на 2 мин.
10. Удаление образца с плитой и отпусков для отдыха в коробке влажность 50% за 5 мин.
11. 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.
12. Удалить образец из маски выравниватель и развивать, погружая его в фоторезиста разработчик для 30 s.
    Примечание: Смотрите Таблицу материалов для точного разработчика.
13. Удалить образец от разработчика, погрузить образец в деионизированную воду и промойте его остановить процесс развития.
14. 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.

1. 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.
2. Депозит, 2-6 Нм титана, который действует как адгезионный слой следуют 30 nm золота для DEP контактов.
3. Удаление образцов из E-луч камеры.
4. Выполните процедуру взлета, удалив большую часть фоторезиста и избыток металла. Это делается путем размещения образцов в стакан для удаления фоторезиста на 15 мин.
5. 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.
6. Полная старт, sonicating стакан для 5 минут при 50% мощности.
7. 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

1. 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.
2. Проверьте решение, падение, кастинг 10 мкл нанопроволоки формулировки на жертвенных подложке.
3. 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.
4. 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.
5. Контакт электродов с помощью микро датчики подключены к частоты генератора¹.
6. 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 плотность^1,2. 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.
7. 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.
8. Применить DEP сигнал для 30 s и затем выключатель генератора частоты.
9. Удаление образца и очень осторожно промойте IPA.
10. 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 устройство^1,2.

5. нанесение дополнительного слоя металла

1. 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.

1. Чтобы установить Электрический контакт с воротами, удалите небольшой площади оксида кремния на краю образца с помощью алмазного Чертилка.
2. Используйте пистолет азота для удаления нежелательных диоксида кремния частиц.
3. Место три микрозондов (источник, процедить и ворота) на электрод контактов золото источника стока, с воротами зонд на площади с удалены SiO₂.
4. Используйте систему характеризация полупроводников для измерения-V.
5. Измерения передачи и вывода сканирует NW FETs, как они дают информацию о производительности устройство и электрические свойства нанопроволоки^1,17,23. Обратите внимание, что передача измерения включают степпинга источника стока и широкие ворота напряжения. Выходные характеристики измеряются подметальные напряжения источника стока и степпинг напряжение затвор.

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 нанопроволоки дисперсии концентрации, а также недостаточной sonication может привести к дисперсии низкого качества, с падение привести примеры нанопроволоки, показано на рисунок 2A и Рисунок 2B, и значительное количество нанопроволоки сгустки. DEP осаждения очень плотной нанопроволоки дисперсий может также производить нежелательные качества слои нанопроволоки, как показано на рисунке 2 c. В этом примере нанопроволоки залегают слишком плотно, весьма значительные нанопроволоки нанопроволоки скрининг эффект. В Рисунок 2D, демонстрируя хорошо дисперсных, изолированные, соответствие нанопроволоки приведен пример хорошего DEP осаждения.

При содействии потока DEP нанопроволоки должно привести к нанопроволоки, перпендикулярно пересекая канал с напуском на несколько микрон на электрод, как показано на рисунке 3. Идеальные нанопроволоки Ассамблея могут быть аппроксимированы как хорошо выровненные» монослоя». Кроме того небольшой разрыв между нанопроволоки предпочтителен для уменьшения нанопроволоки, скрининг эффект. Пример контролируемый нанопроволоки Ассамблеи потока помощь DEP показан на рисунке 3а и рисунок 3B, где напряжение сигнала DEP было сокращено в рисунок 3B, что приводит к значительно меньшее количество нанопроволоки, хранение в зазор электрода.

Передача и вывода сканирует типичный кремния нанопроволоки полевой транзистор показаны на рисунке 4. Результаты показывают, что устройство имеет p типа поведение, с четкой ворота модуляции. Эти результаты сравнения с другими нанопроволоки транзисторов, изготовленные с использованием того же метода в литературе1,2; Однако эти устройства можно также улучшить методы такие как Поверхностная пассивация, которая не обсуждается здесь17. Решение обработки кремния нанопроволоки FETs выставлялись на токи как высокий в миллиампер уровня1; Однако для многих приложений, канальные транзисторы с микро amp течений являются достаточными.

Рисунок 1: Оптического изображения и схема транзистора. (A) оптический микроскоп изображение структур штыревой электрод с нанопроволоки соответствие между электродами. (B) схема снизу ворота нанопроволоки транзистор field - effect построен на Si/SiO2 пластины с общей ворот Si. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: Поляризованных оптических микроскопов изображения решения депозит кремния нанопроволоки. (A) пример каплю нанопроволоки, бросили на кремниевых пластин от неоптимизированная дисперсии, показаны значительное количество нанопроволоки сгустки. (B) падение литые нанопроволоки после краткого sonication с меньшим количеством сгустки. (C) устройство после неправильного DEP, показаны очень высокой плотности нанопроволоки, и кусты. (D) устройство после правильного DEP осаждения, показаны хорошо выровненные, изолированные нанопроволоки, пересекая электрода пробелы. Красные стрелки показывают направление потока жидкости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: Поляризованные изображения оптический микроскоп контролируемый DEP осаждения кремния нанопроволоки. (A) нанопроволоки, собравшиеся на DEP сигнал высоковольтные (15 V), показ высокой плотности унифицированных нанопроволоки. (B) нанопроволоки собрал на низком напряжении DEP (5 V), с только две нанопроволоки, преодоление электродов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4 : Характеристики-V устройство типичный нанопроволоки FET. (A) FET сканирования передачи кремния нанопроволоки нижней закрытого FET устройства с Золотые электроды. Утечка напряжения являются шагнуло от -0,1 до -0,5 V с -0,1 V интервала и ворота напряжения заметен от 10 до -40 V. (B) выход сканирования того же устройства с ступенчатыми ворота напряжения от 0 до -40 V с -5 V интервалы и были прокатилась утечка напряжения от 0 до -0,5 V. нанопроволоки собравшиеся на DEP сигнал частотой 2 МГц и 10 Vpp. ФЕТ демонстрирует 5 Па-ток (VG = 0 V), 5 µΑ ток на VD= 0,5 V, что приводит к 106 - 107 вкл/выкл коэффициент текущей ликвидности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5: Моделируемой сюжет DEP силы против частоты для кремния нанопроволоки в Анизол с различными проводимости. В разделе симуляторы, нанопроволоки диэлектрической проницаемости 11,9 и проводимость между 2,5 x 10-2 С/м до 10 x 10-2 S/м. Анизол имеет диэлектрической проницаемости 4.33 и предполагаемой проводимости 2 x 10-6 S/м. Обратите внимание, что иметь более высокой проводимости более высокую частоту, на которой силы падает до нуля. Эта тенденция указывает, что это более высокой проводимости нанопроволоки могут быть собраны на высокой частоте сигнала DEP. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Авторы подтверждают, что существует отсутствие конфликта интересов.