Diodi Schottky in nanoscala fabbricati tramite litografia ad adesione

Per fabbricare dispositivi fotonici ed elettronici su scala nanometrica, gli ingegneri hanno bisogno di elettrodi fatti di metalli asimmetrici separati da spazi nella scala della lunghezza del nanometro (nm). Finora, la maggior parte di questi elettrodi è stata fabbricata utilizzando tecniche di modellazione di fascia alta, come la litografia a fascio di elettroni.

Sebbene sia stato scoperto che la litografia a fascio di elettroni consente il patterning ad alta fedeltà negli elettrodi metallici asimmetrici, presenta anche una serie di limitazioni. Ad esempio, è in genere molto difficile da applicare su larga scala, poiché può elaborare solo un numero limitato di articoli contemporaneamente ed è efficace solo su alcuni materiali.

I ricercatori della King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) e dell’Imperial College di Londra hanno introdotto un metodo alternativo che potrebbe essere potenzialmente utilizzato per fabbricare elettrodi nanogap asimmetrici su larga scala. Recentemente hanno utilizzato questa tecnica, presentata per la prima volta alcuni anni fa in un articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura, per fabbricare dispositivi con elettrodi nanogap.

“Il nostro recente studio si basa su una scoperta fortuita che il mio gruppo ha fatto nel 2014; quella di un metodo (cioè, litografia di adesione o ‘a-Lith’) che può essere utilizzato per modellare due elettrodi fatti dello stesso metallo o di metalli diversi meno di 15 nm l’uno dall’altro”, ha detto a TechXplore Thomas D. Anthopoulos, il ricercatore capo che ha condotto lo studio. “Sebbene il nostro interesse iniziale fosse fabbricare transistor a gate autoallineati, ci siamo presto resi conto che gli elettrodi autoallineati erano separati da una piccola distanza (cioè un nanogap che è

Il metodo di fabbricazione ideato da Anthopoulos e dai suoi colleghi non richiede strumenti particolarmente sofisticati e può essere applicato anche su grandi parti di materiali utilizzando apparecchiature litografiche tradizionali. Inoltre, può ottenere buoni risultati senza dover impiegare tecniche di modellazione aggiuntive e tipicamente costose come la litografia a fascio di elettroni.

Quando hanno iniziato a testare il loro metodo circa mezzo decennio fa, i ricercatori lo hanno utilizzato principalmente per creare dispositivi nanogap optoelettronici organici. Tuttavia, si sono presto resi conto che consentiva anche il deposito di materiali inorganici, come ZnO, all’interno del nanogap utilizzando una soluzione precursore.

Nel loro recente studio, Anthopoulos e i suoi colleghi hanno utilizzato la loro tecnica a-Lith per creare diodi ZnO Schottky elaborati in soluzione che possono funzionare a microonde e bande di frequenza delle onde millimetriche. Per creare questi diodi, hanno utilizzato a-Lith su scala wafer per modellare due elettrodi metallici asimmetrici, separandoli con uno spazio di circa 15 nm. Infine, li hanno completati depositando uno strato di ZnO sul substrato del dispositivo.

“Il fatto che a-Lith permetta di allineare due metalli diversi così vicini l’uno all’altro, ci ha permesso di sintonizzare le proprietà di due contatti metallo-ZnO individualmente facendone uno ohmico e l’altro a -15 nm di distanza, rettificando così il planare complessivo il dispositivo si comporta come un diodo (cioè un dispositivo che consente il flusso di corrente solo in una direzione)”, ha affermato Anthopoulos. “La dimensione su scala nanometrica di questo parametro critico del dispositivo è la ragione delle eccezionali caratteristiche operative dei nostri diodi Schottky ZnO planari”.

Il processo di fabbricazione di a-Lith è abbastanza semplice e potrebbe quindi essere più facile da implementare su larga scala. Inoltre non richiede un controllo preciso dei parametri di deposizione, che di solito è necessario quando si creano diodi convenzionali di tipo verticale.

“I nostri diodi possono essere facilmente fabbricati su substrati di grandi dimensioni (vetro, silicio o persino polimeri) utilizzando la litografia convenzionale in combinazione con alcune fasi di lavorazione chiave”, ha affermato Anthopoulos. “Questi passaggi consentono la formazione del nanogap tra due elettrodi metallici sovrapposti, previa pelatura meccanica di uno strato adesivo che applichiamo sopra i due elettrodi metallici. Una volta formati gli elettrodi nanogap asimmetrici, una soluzione precursore dello ZnO o del drogato con Al ZnO è stato depositato in cima tramite rivestimento di rotazione, seguito da una fase finale di ricottura termica in aria”.

I diodi fabbricati da Anthopoulos presentano una frequenza di taglio intrinseca massima di 100 GHz. Inoltre, i ricercatori li hanno integrati con altri componenti elettronici passivi per creare circuiti di raccolta dell’energia a radiofrequenza e hanno scoperto che questi circuiti hanno raggiunto tensioni di uscita di 600塵V e 260塵V a 2,45塆Hz e 10塆Hz, rispettivamente.

“Il metodo a-Lith funge da potente esempio di come le tecniche bottom-up upscalabili possono essere abilmente combinate con metodi top-down consolidati per produrre paradigmi di elaborazione innovativi che offrono vantaggi unici rispetto alle tecnologie di produzione tradizionali”, ha affermato Anthopoulos. “I nostri diodi ZnO dimostrano, per la prima volta, come il nostro paradigma di elaborazione può produrre dispositivi in ​​grado di funzionare a frequenze precedentemente inimmaginabili per l’elettronica di ampia area elaborata in soluzione, in particolare per l’ecosistema dei dispositivi Internet of Things (IoT).”

Lo stesso processo di progettazione e fabbricazione utilizzato per creare questi diodi Schottky potrebbe essere teoricamente applicato anche allo sviluppo di altri componenti del circuito, inclusi resistori e condensatori. In futuro, questo studio potrebbe aprire la strada allo sviluppo e alla produzione su larga scala di numerosi dispositivi, nonché di circuiti monolitici a radiofrequenza (RF) senza la necessità di processi di integrazione di componenti eterogenei costosi e spesso inaffidabili.

“Ritengo che il nostro lavoro colleghi i mondi dell’elettronica RF tradizionale con il campo emergente dell’elettronica stampata per grandi aree e abbia il potenziale per consentire una serie di nuove applicazioni”, ha affermato Anthopoulos. “Stiamo ora lavorando a una serie di progetti che utilizzano la nostra tecnologia nanogap, compreso lo sviluppo di tecniche di nanolitografia migliorate e altamente scalabili che offrono una risoluzione migliorata pur essendo più semplici da implementare e quello di optoelettronica, sensori e dispositivi di raccolta/generazione di energia innovativi. Il futuro è decisamente brillante per i nostri nanogap di grandi dimensioni ma minuscoli.”