Быстро и вверх

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3260 (2022) Цитировать эту статью

3539 Доступов

4 цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Массовое внедрение технологий пятого поколения и Интернета вещей требует точных и высокопроизводительных технологий изготовления для массового производства радиочастотной электроники. Мы используем пригодный для печати полупроводник индий-галлий-цинк-оксид в спонтанно образующихся самовыравнивающихся нанозазорах <10 нм и отжиг импульсной лампой, чтобы продемонстрировать быстрое изготовление диодов Шоттки с нанозазорами на подложках произвольного размера, работающих на частотах 5 Гс. Эти диоды сочетают в себе низкую емкость перехода с низким напряжением включения и имеют частоты среза (собственные) >100 ГГц. Схемы выпрямителей, построенные с использованием этих копланарных диодов, могут работать на частоте ~ 47 ГГц (внешняя), что делает их самыми быстрыми электронными устройствами большой площади, продемонстрированными на сегодняшний день.

Мобильные сети пятого поколения (5G) теперь стали коммерческой реальностью, и исследования в области технологий шестого поколения (6G), работающих на частотах выше 95 ГГц, идут полным ходом1. Это расширит использование дополненной и виртуальной реальности в сочетании с развивающейся платформой Интернета вещей (IoT)1. И 5G, и 6G требуют высокочастотных устройств, таких как диоды Шоттки, транзисторы, антенны и переключатели, причем все они имеют исключительно низкую стоимость, что обеспечивает возможность их прогнозируемого массового развертывания1,2,3. Диоды Шоттки являются повсеместно важными элементами в радиочастотной (ВЧ) электронике, такой как схемы выпрямителей, умножители частоты и смесители2,4. Современные технологии диодов Шоттки основаны на полупроводниках Si и III–V с использованием проверенных и высокотехнологичных методов изготовления2. К сожалению, они имеют серьезные технологические ограничения, в том числе несовместимость с гибкими подложками и производством на больших площадях, ограниченную пропускную способность и высокотемпературную обработку. В результате массовое внедрение существующих технологий радиочастотных диодов в электронике большой площади остается сложной задачей.

ВЧ-диоды Шоттки, изготовленные из металлооксидных полупроводников, в последние годы привлекают все большее внимание благодаря их высокой подвижности носителей заряда, экологичности и дешевизне материалов, простоте обработки, механической податливости и совместимости с полимерными подложками большой площади5,6,7, 8. Ключевыми параметрами, которые в конечном итоге определяют рабочую частоту диода Шоттки, являются емкость перехода (Cj) и последовательное сопротивление устройства (Rs)2. Таким образом, для достижения гигагерцового режима работы диодов Шоттки необходимы как сверхмалая емкость (<пФ), так и низкое последовательное сопротивление. В обычных вертикальных сэндвич-устройствах перекрывающаяся емкость между верхним и нижним электродами является ограничивающим фактором для работы на высоких частотах, который можно, хотя и частично, решить путем уменьшения размера диода. Отверстия, которые часто существуют в тонких слоях активного полупроводника, накладывают дополнительные ограничения на надежность и производительность таких устройств. Недавно Аймин Сонг и др.5 продемонстрировали работу на частоте 6,3 ГГц IGZO-диодов Шоттки с ВЧ-меза-структурой, состоящей из электродов и полупроводниковых слоев оптимизированной площади и толщины. В отдельном исследовании Чжан и др.4 разработали копланарные диоды микронного размера с использованием двумерного (2D) полупроводника MoS2, пространственно адаптированного для проявления полупроводниковых и металлических свойств, образующих канал. Последующие планарные диоды имели значения Cj ниже 10 фФ и работали на частотах выше 10 ГГц. Несмотря на большие перспективы, изготовление таких устройств остается сложной задачей, поскольку оно основано на тщательной разработке MoS2, включающей сложные этапы формирования рисунка с помощью электронно-лучевой литографии.

Адгезионная литография (a-Lith) недавно использовалась для устранения некоторых ограничений, с которыми сталкиваются обычные вертикальные диоды Шоттки7,9,10,11, позволяя разрабатывать копланарные архитектуры перехода со сверхнизкой емкостью и коротким временем прохождения несущей10,11. . Также был продемонстрирован широкий спектр других планарных устройств, включая энергонезависимую память12, фотодетекторы13, тонкопленочные транзисторы с самовыравнивающимся затвором (SAG-TFT) и светодиоды (LED)14, все из которых основаны на плоских электродах с нанозазором. с помощью а-лита. В обычном a-литии октадецилфосфоновая кислота (ODPA) используется в качестве самоорганизующегося монослоя (SAM) для изменения поверхностной энергии первого электрода (M1) и уменьшения адгезии впоследствии обрабатываемого второго металлического электрода (M2). Последний затем отклеивается (от интерфейса M1-SAM/M2) с помощью клейкой ленты или клея, оставляя соседние электроды M1 и M2, разделенные нанозазором. Однако этот этап ручного отделения влияет на размер и однородность нанозазора, что приводит к измеримым различиям между устройствами9,11, что затрудняет внедрение этой технологии в полностью автоматизированные производственные процессы, важные для отрасли.

45 min)15, FLA enables treatment of metal oxide films on large areas16 at reduced thermal budget over temperature-sensitive substrate materials17./p>104 (Fig. 3c) while the forward current (at 2 V) scales linearly with the diode's diameter (Fig. 3d). The FLA diode junction parameters, such as series resistance (RS), barrier height (ΦB), ideality factor (n), effective Richardson constant (A*), and built-in potential (Vbi) were extracted from I-V, I-V-T, and C-V measurements (Supplementary Figs. 14–17) with results summarized in Supplementary Table 2./p>3) and current responsivity (6–8 AW−1) of our diodes (Supplementary Fig. 18b, c) are critical factors for RF applications4. The frequency response was measured with a one-port scattering measurement setup (Supplementary Fig. 19) using high-frequency input signals and extracting frequency dependent reflection coefficient (S11) and diode impedance. The intrinsic cut-off frequency, fC,int, can be estimated from the intersection of the real (RS, series resistance) and imaginary (XC, reactance) part of the impedance (Fig. 3e–h). Notably, the series resistance extracted from the real part of the impedance represents the effective series resistance (Rse) of the device (mainly contact resistance) and excludes the resistance associated with the junction's depletion region. As such, its value is orders of magnitude lower than that extracted from the DC current-voltage characteristics of the diode5. Surprisingly, the Rse for diodes with large diameters (600 and 900 µm) remains similar instead of decreasing with increasing nanogap width. The RF current distribution profile simulations presented in Supplementary Fig. 20 provide an explanation to this anomaly. As the diameter of the diode increase from 100 to 900 μm, the current distribution profile appears confined near the feeding point (i.e. the location in the middle electrode where the RF signal is launched) and does not spread uniformly across the whole electrode. As a result, for larger size diodes the measured Rse ceases to scale with the width and follows a more convoluted relationship. The rapid change in the impedance seen beyond the cut-off frequency point is most likely the result of resonances in our circuit. Similar behavior was reported recently for nanogap diodes based on different metal oxides and organic semiconductors9,10. The intrinsic cut-off frequency values extracted from Fig. 3e–h range between 16 GHz, for the larger diodes (900 μm), to over 100 GHz, for the smallest diameter diode (100 μm). The latter observation is attributed mainly to the reduction in diode junction capacitance (Cj) and the series resistance (RS) (Supplementary Table 3). Several diodes per channel diameter were measured (Supplementary Fig. 21, 22), from which the average fC,int and Cj were calculated and summarized in Fig. 4a, b, respectively./p>

Новости