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Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 3260 (2022) Citar este artículo

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El despliegue masivo de tecnologías de quinta generación e Internet de las cosas requiere técnicas de fabricación precisas y de alto rendimiento para la producción en masa de electrónica de radiofrecuencia. Utilizamos semiconductores imprimibles de óxido de indio-galio-cinc en nanoespacios de <10 nm autoalineados y formados espontáneamente y recocido con lámpara de destello para demostrar la fabricación rápida de diodos Schottky de nanoespacios sobre sustratos de tamaño arbitrario que funcionan en frecuencias de 5 G. Estos diodos combinan una capacitancia de unión baja con un voltaje de encendido bajo y exhiben frecuencias de corte (intrínsecas) de >100 GHz. Los circuitos rectificadores construidos con estos diodos coplanares pueden funcionar a ~47 GHz (extrínsecos), lo que los convierte en los dispositivos electrónicos de gran superficie más rápidos demostrados hasta la fecha.

Las redes móviles de quinta generación (5 G) son ahora una realidad comercial y la investigación hacia tecnologías de sexta generación (6 G), que operan en frecuencias superiores a 95 GHz, está muy avanzada1. Esto ampliará el uso de la realidad aumentada y virtual en combinación con la plataforma emergente de Internet de las cosas (IoT)1. Tanto 5 G como 6 G exigen dispositivos de alta frecuencia, como diodos Schottky, transistores, antenas e interruptores, todos ellos a un costo claramente bajo para permitir su despliegue masivo proyectado1,2,3. Los diodos Schottky son elementos críticos omnipresentes en la electrónica de radiofrecuencia (RF), como circuitos rectificadores, multiplicadores de frecuencia y mezcladores2,4. Las tecnologías actuales de diodos Schottky de última generación se basan en semiconductores Si y III-V que dependen de métodos de fabricación establecidos y altamente sofisticados2. Desafortunadamente, estos vienen con importantes limitaciones tecnológicas, incluida la incompatibilidad con sustratos flexibles y la producción en grandes áreas, el rendimiento limitado y el procesamiento a alta temperatura. Como resultado, la adopción masiva de las tecnologías de diodos de RF existentes en la electrónica de área grande sigue siendo un desafío.

Los diodos Schottky de RF fabricados con semiconductores de óxido de metal han atraído cada vez más la atención en los últimos años debido a su alta movilidad del portador de carga, materiales económicos y ecológicos, facilidad de procesamiento, conformidad mecánica y compatibilidad con sustratos de polímero de gran superficie5,6,7, 8. Los parámetros clave que finalmente dictan la frecuencia de operación de un diodo Schottky son la capacitancia de la unión (Cj) y la resistencia en serie del dispositivo (Rs)2. Para lograr la operación de GHz en diodos Schottky, son necesarias tanto una capacitancia ultrapequeña (

La litografía de adhesión (a-Lith) se ha utilizado recientemente para paliar algunas de las limitaciones que encuentran los diodos Schottky verticales convencionales7,9,10,11, al permitir el desarrollo de arquitecturas de uniones coplanares con capacitancia ultrabaja y tiempos de tránsito de portador cortos10,11 . También se ha demostrado una amplia gama de otros dispositivos planares que incluyen memorias no volátiles12, fotodetectores13, transistores de película delgada de puerta autoalineada (SAG-TFT) y diodos emisores de luz (LED)14, todos ellos basados en electrodos planos nanogap. usando a-Lith. En a-Lith convencional, el ácido octadecilo fosfónico (ODPA) se utiliza como monocapa autoensamblada (SAM) para modificar la energía superficial del primer electrodo (M1) y reducir la adhesión del segundo electrodo metálico procesado posteriormente (M2). Luego, este último se despega (de la interfaz M1-SAM/M2) con cinta adhesiva o pegamento, dejando los electrodos M1 y M2 adyacentes separados por un nanogap. Sin embargo, este paso de despegado manual afecta el tamaño y la uniformidad del nanogap, lo que genera variaciones medibles entre dispositivos9,11, lo que dificulta la adopción de esta tecnología en procesos de fabricación relevantes para la industria totalmente automatizados.

Mostramos que el paso de pelado se puede evitar por completo adoptando una combinación bimetálica Ti-Pt como M2. El bimetal M2 se delamina espontáneamente durante la deposición en su interfaz con M1-SAM mientras permanece fuertemente adherido al sustrato. Esto conduce a la formación consistente de nanoespacios por debajo de 10 nm y permite la fabricación confiable de nanoespacios metálicos coplanares en áreas extensas. Además, implementamos el recocido con lámpara flash (FLA) para la conversión rápida del semiconductor de óxido de metal procesado en solución (óxido de indio, galio y zinc, IGZO) a través de los canales nanogap. A diferencia del recocido térmico convencional que se basa en altas temperaturas (≥400 °C) durante tiempos prolongados (>45 min)15, FLA permite el tratamiento de películas de óxido metálico en grandes áreas16 con un presupuesto térmico reducido sobre materiales de sustrato sensibles a la temperatura17.

Los pasos del proceso para fabricar matrices coplanares de electrodos nanogap de aluminio (Al)/titanio - platino (Ti-Pt) se muestran en la Fig. 1a y la Fig. 1 complementaria. La mala adhesión de Ti-Pt (M2) en M1/ SAM debido a la cola de alquilo hidrofóbica y al grupo final metilo (Fig. 2 complementaria) y las tensiones internas dentro de M2 permiten el auto-desprendimiento explícito de la segunda capa (M2), como se muestra en la Fig. 3 complementaria. Este auto-desprendimiento ya sea conduce a la eliminación completa instantánea de las películas de Ti-Pt o hace que se enrollen en tubos y varias formas, como se muestra en la Fig. 4 complementaria. La eliminación completa de cualquier M2 restante se logra mediante una corriente de nitrógeno o sumergiendo los sustratos completos en un líquido (acetona, alcohol isopropílico o agua desionizada) con agitación suave (película S1). Luego, los residuos de M2 se pueden recolectar y reciclar. Se fabricaron matrices de estructuras de barras circulares, interdigitadas y alargadas en obleas de vidrio de 4 pulgadas (Fig. 5 complementaria). Las dimensiones detalladas y específicas de las estructuras de diodo utilizadas en este estudio se ilustran en la figura complementaria 6. La distancia entre electrodos, es decir, la longitud de nanogap, L, es inferior a 18,7 nm, como se aclara a partir de microscopía electrónica de barrido de vista superior ( Imágenes SEM) (Fig. 1b y Fig. Suplementaria 7, 8). Sin embargo, según lo determinado por microscopía electrónica de transmisión transversal (TEM) (Fig. 1c), L puede ser menor que 10 nm.

a Ilustraciones esquemáticas de la fabricación de electrodos nanogap a escala de oblea. Los pasos clave involucraron el patrón y la formación selectiva de SAM en electrodos de Al (izquierda) seguidos por la deposición de Ti-Pt (centro), lo que resultó en el auto-desprendimiento de películas de Ti-Pt en superficies de Al/SAM (derecha). b Imagen SEM que muestra el autodesprendimiento de Ti-Pt solo en la parte superior de las superficies Al/SAM y revela un nanoespacio entre los metales Al y Ti-Pt. c Imágenes TEM transversales de alta resolución que muestran el nanogap (<10 nm) entre los electrodos Al/Ti-Pt.

Para investigar la idoneidad del electrodo nanogap asimétrico de autoformación para la fabricación de diodos Schottky, empleamos IGZO como semiconductor de tipo n. En la estructura del dispositivo coplanar Al/IGZO/Ti-Pt resultante, el electrodo Al (M1) sirve como contacto óhmico debido a su baja función de trabajo (~4.2 eV) y la buena coincidencia con el mínimo de banda de conducción de IGZO, mientras que el el bimetálico Ti-Pt (M2) forma un contacto Schottky debido a la gran función de trabajo de Pt (≈5,8 eV)8. La deposición IGZO se implementó en dos pasos: (i) la deposición del precursor se realizó a través de una ruta sol-gel, y (ii) la muestra se sometió a FLA en atmósfera ambiente. Estos pasos clave de procesamiento se ilustran esquemáticamente en la Fig. 2a. Como se ve en la Fig. 2b, c y la Fig. 9-11 complementaria, la capa IGZO formada parece llenar el nanogap, aunque se pueden observar variaciones en la concentración de los diversos elementos relevantes a través de ella. Esto puede ser el resultado de que IGZO llene parcialmente el nanogap y/o de los efectos extrínsecos inducidos durante la preparación de las láminas (es decir, pulido y molienda de iones) donde se pueden producir daños en la muestra. A pesar de estas variaciones, concluimos que la capa IGZO llena el nanogap y forma contactos con los electrodos M1 y M2. Las simulaciones optotérmicas revelan el efecto de los parámetros del proceso FLA en los transitorios de temperatura desarrollados. La Figura 2d muestra el perfil de temperatura en los electrodos Ti-Pt (α) y Al (γ) y en los bordes metálicos (β) en el nanogap. Como se muestra en la Fig. 2e, la temperatura en M2 (Ti-Pt) es más alta que en M1 (Al) debido a su mayor porcentaje de absorción de luz. Sin embargo, a pesar de esta diferencia, la proximidad de los electrodos (<10 nm) permite una distribución de temperatura casi uniforme dentro de nanogap (β) (Figura 12 complementaria y Tabla 1). Solo se encuentran gradientes significativos en el aumento de la temperatura máxima dentro de la brecha para brechas que superan los 100 nm (Fig. 2f). El último hallazgo destaca la ventaja única del nanogap entre electrodos corto (<16 nm). Las temperaturas dentro y fuera del nanogap dependen del área del dispositivo (tamaño), convergiendo para diámetros de dispositivo superiores a 200 µm (Fig. 2g). El efecto de pulsos FLA repetidos en \(v=1.2{{{{{\rm{Hz}}}}}}\) alcanza la saturación después de 10 pulsos, produciendo \(\varDelta {T}_{{peak}} instantáneo \cong 360^\circ {{{{{\rm{C}}}}}}\) y la parte posterior del sustrato \(\varDelta {T}_{{back}}\cong 35^\circ { {{{{\rm{C}}}}}}\) (Fig. 2h). El papel de los parámetros FLA en el rendimiento del diodo se muestra en la Fig. 13 complementaria. En general, FLA facilita el suministro de energía dirigido, rápido y preciso en el nanocanal mientras deja intacto el sustrato.

a Ilustración esquemática del procesamiento de soluciones de películas IGZO en electrodos nanogap. b, c Imagen transversal de HR-TEM y el mapeo EELS correspondiente que muestra los elementos In, Zn y O dentro del espacio nanogap. d El perfil del mapa de temperatura en color en un dispositivo de Ø300 µm muestra las temperaturas en Ti-Pt (α), Al (γ) y en los bordes de los electrodos (β). e Gráfica de aumento de temperatura dependiente del tiempo (∆T) en puntos α, β, γ. f El aumento de la temperatura máxima en función de la separación del espacio lateral ilustra que, con un tamaño de espacio más bajo (<30 nm), la diferencia de temperatura en el canal es insignificante. g Muestra el aumento de la temperatura máxima (∆T) en las regiones α, β y γ con respecto al diámetro interior del metal y converge después de 200 µm. h Representa el transitorio completo, incluidos los primeros 11 pulsos que llegan a una tasa de repetición de 1,2 Hz y una duración de pulso de 750 µs.

Las características I–V de los nanogaps vacíos (Fig. 3a) muestran un excelente aislamiento eléctrico (niveles de corriente de <10−10 A) para todos los dispositivos contenidos en una matriz de 36 diodos individuales de 900 µm de diámetro (fotografía insertada), lo que sugiere un rendimiento del 100 % en formación de nanobrechas. Después del recubrimiento IGZO y el proceso FLA, los diodos mostraron un comportamiento de tipo n, alta rectificación y corriente inversa ultrabaja (~10−10 A). En comparación, los dispositivos de referencia que se prepararon mediante recocido térmico a dos temperaturas diferentes (300 y 400 °C) requirieron largos tiempos de recocido (~45 min) y mostraron histéresis, menor rectificación y mayor voltaje de encendido (Fig. 3b). Los diodos FLA exhiben una relación de rectificación de >104 (Fig. 3c) mientras que la corriente directa (a 2 V) escala linealmente con el diámetro del diodo (Fig. 3d). Los parámetros de la unión del diodo FLA, como la resistencia en serie (RS), la altura de la barrera (ΦB), el factor de idealidad (n), la constante efectiva de Richardson (A*) y el potencial incorporado (Vbi) se extrajeron de IV, IVT y Mediciones de CV (Figuras complementarias 14-17) con resultados resumidos en la Tabla complementaria 2.

a Características I-V de una matriz completa de 36 dispositivos que consta de electrodos nanogap de Al/Ti-Pt vacíos (fotografía insertada). El nivel de corriente constante por debajo de 0,1 nA implica un aislamiento eléctrico completo entre ambos metales. b Características I–V de diodos de Al/IGZO/Ti-Pt recocidos térmicamente y recocidos con lámpara de destello (FLA). Los diodos procesados con FLA muestran una mejor rectificación, menos histéresis y un encendido más cercano a 0 V en comparación con los diodos recocidos térmicamente. c Características I–V de los diodos FLA donde la corriente aumenta con el diámetro del diodo. d La corriente a 2 V para varios diodos, que se escala con el diámetro del diodo. El ajuste lineal a los datos experimentales (R2 = 0,997) valida el uso del área del diodo como el producto de la circunferencia (πd) por el espesor del electrodo Ti-Pt (M2) (100 nm). e–h Impedancia dependiente de la frecuencia de los diodos extraídos de las mediciones S11. El recuadro en (e) muestra una sonda de tierra-señal-tierra (GSG) en contacto con un diodo coplanar.

También se investigó el impacto del aire en las características operativas de los diodos de Al/IGZO/Ti-Pt preparados, ya que se sabe que los IGZO son propensos a las moléculas de oxígeno y agua, lo que puede degradar el rendimiento del dispositivo (consulte la Fig. 15 complementaria). )18. De hecho, los diodos Schottky muestran una corriente inversa aumentada con histéresis en el sentido de las agujas del reloj cuando se miden en aire ambiente a 25 °C con una humedad relativa de ≈55 %. La aplicación de una capa del fotorresistente negativo a base de epoxi SU-8 encima pasiva los diodos y conduce a características I-V consistentes incluso después de una exposición prolongada a la atmósfera ambiental durante 3 meses (consulte la Fig. 15c complementaria). Estos resultados destacan la compatibilidad de capas de pasivación fáciles de implementar para estabilizar el funcionamiento de nuestros diodos Schottky. También se investigó la estabilidad de polarización de los dispositivos IGZO planos. Los diodos no encapsulados muestran un voltaje de ruptura inversa de ≈5 V más allá del cual la corriente aumenta considerablemente. (Fig. 18a complementaria). Se informaron hallazgos similares para diodos nanogap planares similares basados en diferentes semiconductores9,10. Sin embargo, a pesar del voltaje de ruptura relativamente bajo, creemos que nuestros diodos IGZO planos son adecuados para una variedad de aplicaciones de RF de baja potencia, como mezcladores de RF, detectores, circuitos lógicos y recolectores de energía inalámbricos.

Para la recolección de energía inalámbrica de RF y las etiquetas de identificación de RF, los circuitos rectificadores de antena-diodo dictan en última instancia la frecuencia de operación, la eficiencia de conversión de energía y el costo2. Por ejemplo, la alta no linealidad (>3) y la capacidad de respuesta actual (6–8 AW−1) de nuestros diodos (Fig. 18b, c complementaria) son factores críticos para las aplicaciones de RF4. La respuesta de frecuencia se midió con una configuración de medición de dispersión de un puerto (Fig. 19 complementaria) utilizando señales de entrada de alta frecuencia y extrayendo el coeficiente de reflexión dependiente de la frecuencia (S11) y la impedancia del diodo. La frecuencia de corte intrínseca, fC,int, se puede estimar a partir de la intersección de la parte real (RS, resistencia en serie) e imaginaria (XC, reactancia) de la impedancia (Fig. 3e-h). En particular, la resistencia en serie extraída de la parte real de la impedancia representa la resistencia en serie efectiva (Rse) del dispositivo (principalmente resistencia de contacto) y excluye la resistencia asociada con la región de agotamiento de la unión. Como tal, su valor es varios órdenes de magnitud inferior al extraído de las características de corriente-voltaje de CC del diodo5. Sorprendentemente, el Rse para diodos con diámetros grandes (600 y 900 µm) sigue siendo similar en lugar de disminuir al aumentar el ancho del nanogap. Las simulaciones del perfil de distribución de corriente de RF presentadas en la Fig. 20 complementaria proporcionan una explicación de esta anomalía. A medida que el diámetro del diodo aumenta de 100 a 900 μm, el perfil de distribución de corriente parece confinado cerca del punto de alimentación (es decir, la ubicación en el electrodo medio donde se envía la señal de RF) y no se distribuye uniformemente por todo el electrodo. Como resultado, para diodos de mayor tamaño, el Rse medido deja de escalar con el ancho y sigue una relación más complicada. El cambio rápido en la impedancia que se ve más allá del punto de frecuencia de corte es probablemente el resultado de resonancias en nuestro circuito. Recientemente se informó un comportamiento similar para diodos nanogap basados en diferentes óxidos metálicos y semiconductores orgánicos9,10. Los valores de frecuencia de corte intrínsecos extraídos de la Fig. 3e-h varían entre 16 GHz, para los diodos más grandes (900 μm), hasta más de 100 GHz, para el diodo de diámetro más pequeño (100 μm). La última observación se atribuye principalmente a la reducción en la capacitancia de la unión de diodos (Cj) y la resistencia en serie (RS) (Tabla complementaria 3). Se midieron varios diodos por diámetro de canal (Fig. 21, 22 complementarias), a partir de los cuales se calculó el promedio de fC,int y Cj y se resumió en la Fig. 4a, b, respectivamente.

a La frecuencia de corte intrínseca promedio y la capacitancia de unión (Cj) de varios diodos (para cada diámetro) medidos a partir de mediciones de un puerto S11. La frecuencia de corte aumenta a medida que se reduce el diámetro del diodo. Por otro lado, Cj (medido a 10 GHz) se reduce para diámetros decrecientes. b La capacitancia de unión de los diodos Al/IGZO/Ti-Pt extraída de las mediciones S11 en el rango de 0,1 GHz a 18 GHz. En todos los casos, Cj muestra valores ultrapequeños (<1 pF). c La salida de tensión rectificada frente a la frecuencia de entrada a una entrada de potencia de 5 dBm. Las frecuencias de corte extrínsecas se extrajeron en el punto de media potencia. La salida de tensión dependiente de la potencia (d) y dependiente de la frecuencia (e) de un diodo con un diámetro de 900 µm. f Dependencia de la frecuencia de corte intrínseca (fC,int, de S11) y la frecuencia de corte extrínseca (fC,ext, de las mediciones de salida de tensión), medida para 10 diodos por diámetro, lo que indica el claro aumento de fC con reducción del ancho del diodo. La barra de error indica la desviación estándar de la frecuencia de corte de los diodos.

En aplicaciones de la vida real, la frecuencia de corte extrínseca, fC,ext, del diodo es más relevante ya que está influenciada por todos los componentes del dispositivo. Se puede estimar a partir del punto −3 dB, es decir, la frecuencia a la que la potencia cae 1/2 (frecuencia a la que la salida de tensión, VOUT, cae a 1/\(\sqrt{2}\)) de su valor máximo2 . El voltaje de salida de CC rectificado en función de la frecuencia se midió utilizando una configuración de rectificador de media onda, que comprende una T de polarización, un diodo Al/IGZO/Ti-Pt y una resistencia de carga de 10 MΩ, RL (Suplementario Fig. 23). La proyección del punto de −3 dB y las frecuencias de corte extrínsecas resultantes para todos los diodos se muestran en la Fig. 4c. Como era de esperar, el voltaje de salida (VOUT) aumenta con el aumento del área activa del diodo (Fig. 4c) y la potencia de entrada (Fig. 4d). El voltaje de salida en función de la potencia RF de entrada sigue una ley cuadrática a una potencia de entrada baja y una ley de raíz cuadrada a una potencia de entrada más alta. Las dos regiones lineales correspondientes son claramente discernibles hasta 5 GHz en la Fig. 4e. La evolución de las frecuencias de corte intrínsecas (de las mediciones de S11) y extrínsecas (de las mediciones del circuito rectificador) con un diámetro de nanogap creciente (extraído de 10 diodos por diámetro), se muestra en la Fig. 4f. Observamos una pequeña desviación estándar en las frecuencias de corte para diodos con un diámetro en el rango de 300 a 900 µm. La desviación estándar ligeramente más alta observada en el fC de los diodos de 100 µm de diámetro podría ser el resultado de condiciones de prueba y preparación ligeramente diferentes. La gran diferencia observada entre los valores de fC intrínseco y extrínseco probablemente se atribuya a pérdidas parásitas asociadas con el circuito rectificador empleado5, y destaca la posibilidad de mejoras adicionales. A pesar de las no-idealidades, el fC extrínseco de nuestros diodos supera a los logrados previamente utilizando diferentes tecnologías de procesamiento y/o materiales semiconductores, como óxidos metálicos procesables en solución5,7,9,19,20,21,22, polímeros orgánicos23,24,25 ,26, moléculas pequeñas orgánicas27,28,29,30 y varios semiconductores de baja dimensión4,31. La Figura 5 resume los desarrollos más importantes a lo largo de los años en el área de las tecnologías emergentes de diodos Schottky con los detalles de cada estudio enumerados en la Tabla complementaria 4. Evidentemente, nuestros diodos IGZO Schottky autoformados ofrecen un rendimiento superior, al tiempo que mantienen la simplicidad y la escalabilidad de fabricación. Por lo tanto, creemos que el método de nanogap de autoformación combinado con el procesamiento FLA cumple con todos los requisitos previos para un paradigma de fabricación masivo, rápido y alternativo para la electrónica de RF de gran área que puede impactar significativamente en los mercados emergentes de 5 G/6 G al ayudar a conectar de forma inalámbrica así como potenciar el ecosistema de dispositivos IoT del futuro.

El gráfico compara la frecuencia de corte extrínseca (fC) de nuestros diodos actuales (este trabajo) con los diodos Schottky informados anteriormente fabricados con diferentes materiales semiconductores (es decir, pequeñas moléculas orgánicas, polímeros orgánicos, óxidos metálicos y materiales 2D), a través de vacío y métodos de procesamiento de soluciones. Los datos de la literatura utilizados para esta figura se resumen en la Tabla complementaria 4.

Primero, las obleas de vidrio Borofloat (de Semiconductor wafer Inc.) se sometieron a una limpieza secuencial con agua DI/acetona/isopropanol (IPA) bajo sonicación durante 10 min en cada solvente. A continuación, los electrodos de aluminio (Al) (M1) de 100 nm de espesor se evaporaron térmicamente en alto vacío (10-6 milibares) a una velocidad de 2 Å/s y se modelaron en la forma deseada con fotolitografía convencional y grabado húmedo. Los patrones M1 se pueden hacer de dos maneras diferentes utilizando un enfoque de patrón de campo claro (al final, Al será el electrodo externo) y de campo oscuro (Al será el electrodo interno). Para el proceso estándar, hemos seguido patrones de campo claro; sin embargo, también se puede usar el último método. Se preparó una solución SAM que contiene 1 mM (7,8 mg) de ácido octadecilo fosfónico (ODPA, adquirido de Sigma-Aldrich) en 30 ml de IPA, como disolvente. Los sustratos estampados se sumergieron en la solución SAM durante la noche (20 h) para formar una monocapa autoensamblada específicamente en la superficie de Al (M1), pero dejando la superficie del sustrato de vidrio sin SAM. Luego, los sustratos se enjuagaron con IPA, se secaron con gas nitrógeno y se recocieron a 80 ° C durante 10 min para eliminar cualquier molécula de ODPA fisionada y el exceso de solventes. Finalmente, el electrodo de platino (Pt) (95 nm) con una capa inferior de titanio (Ti) de 5 nm para promover la adhesión al sustrato de vidrio se depositó mediante evaporación con haz de electrones. Debido a la mala adherencia y el estrés intrínseco causado por las películas de Ti-Pt (M2) en las superficies de SAM/Al, se produce una eliminación selectiva conocida como autodesprendimiento o autoformación del metal Ti-Pt (M2). Se llevó a cabo un segundo paso de fotolitografía y grabado húmedo para aislar cada diodo, modelando el electrodo de Al global (M1). Para eliminar el ODPA SAM de M1, así como cualquier fotoprotector restante, se llevó a cabo un tratamiento con ozono ultravioleta durante 15 minutos para finalmente revelar los electrodos nanogap vacíos con un tamaño de espacio típicamente <10 nm.

En primer lugar, se preparó una concentración de 0,1 M de nitrato de indio (III) hidrato (99,999 % de pureza de Sigma-Aldrich), nitrato de galio (III) hidrato (99,999 % de pureza de Sigma-Aldrich) y nitrato de zinc hexahidratado (adquirido de Fisher Chemicals). disolviéndolos por separado en el solvente 2-metoxietanol y las soluciones se agitaron durante la noche a 900 rpm. En segundo lugar, se preparó la solución IGZO mezclando las soluciones anteriores en una relación de volumen de 5:1:3 (In:Ga:Zn) y se agitó de nuevo durante la noche a 900 rpm. Finalmente, la solución resultante se filtró con un filtro de jeringa de PTFE de 0,2 μm, seguido de la deposición de la película mediante revestimiento por rotación a 3000 rpm durante 30 s sobre dispositivos nanogap dentro de una guantera llena de nitrógeno y el posterior secado a 130 °C durante 10 min. El recocido de la lámpara de destellos se llevó a cabo utilizando un Novacentrix Pulse Forge 1300. El voltaje de la lámpara de destellos se mantuvo a 600 V, mientras que la duración del pulso se varió de 500 µs a 1250 µs y la velocidad de disparo se mantuvo constante en 1,2 Hz. La energía del pulso se varió de 4,5 J/cm2 a 6 J/cm2 para cada condición, y los pulsos se repitieron 20 veces. El rendimiento óptimo del diodo se logró a 600 V, tasa de disparo de 1,2 Hz, longitud de pulso de 750 µs y densidad de energía de 5,5 J/cm2.

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de vista superior de Al/Ti-Pt nanogap se obtuvieron con un microscopio Helios G4 UX equipado con una fuente de electrones de emisión de campo a la tensión de funcionamiento de 5 kV. Para las imágenes TEM transversales, en primer lugar, se preparó una lámina delgada con el haz de iones enfocado (FIB) en un microscopio electrónico de barrido (Helios 400 s, FEI) equipado con un nano manipulador (Omniprobe, AutoProbe300). La superficie de la muestra estaba protegida por capas secuenciales de carbono y platino depositadas bajo haces de iones y electrones. La mayor parte de la muestra se molió con un haz de iones de Ga para alcanzar una profundidad de ca. 8-10 micras. Se hizo un socavado con la FIB y se extrajo la lámina del bulto con la ayuda de un nanomanipulador. La lámina se unió a una rejilla TEM de cobre y se adelgazó con FIB a 30 kV y se redujo secuencialmente la corriente en el rango de 2,8 nA a 93 pA. La lamela se pulió con FIB a bajas tensiones (5 y 2 kV) para eliminar cualquier posible contaminación. Luego, las imágenes transversales se adquirieron con el TEM (Titan 80–300, FEI, equipado con un monocromador de electrones y Gatan Imaging Filter, GIF Quantum 966) a un voltaje de operación de 300 kV. Las imágenes de espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS) se adquirieron en el modo de exploración TEM (STEM) llamado espectro de imágenes (SI).

Las caracterizaciones de corriente-voltaje (I-V) de los diodos se llevaron a cabo en una guantera llena de nitrógeno utilizando la unidad de medida/fuente de precisión Keysight B2912A. La medición I-V dependiente de la temperatura se llevó a cabo en una estación de sonda criogénica (Lake Shore Cryotronics Inc.) en combinación con un analizador de dispositivos de semiconductores Keysight B1500A. Las mediciones de capacitancia se registraron con un analizador de fase de impedancia/ganancia Solartron SI 1260 a temperatura ambiente dentro de una guantera llena de nitrógeno. Las mediciones del parámetro de dispersión de alta frecuencia (S11) se obtuvieron (en el aire) a través de un Agilent PNA N5225A que funciona a 10 MHz – 50 GHz. Se utilizaron sondas Cascade Infinity GSG (ACP-40) con un paso de 500 µm después de una calibración válida de Corto, Abierto y Carga (SOL) en un sustrato estándar de impedancia (ISS) de 106–682. Las mediciones del rectificador se realizaron dentro de una cámara sellada al vacío (1 × 10−5 torr) conectada con una T de polarización (10 MHz a 18 GHz) a través de GSG Picoprobes (de GGB Industries). El voltaje de salida se midió a través de una resistencia de carga RL = 10 MΩ conectada con un multímetro digital (DMM) Keysight 34465 A.

Se realizaron simulaciones optotérmicas utilizando el software COMSOL para extraer el perfil de temperatura real en las superficies de los electrodos y en los bordes de los electrodos (donde está presente el nanogap). Las propiedades ópticas de Al, Ti, Pt y vidrio se obtienen de la base de datos Sopra. Las condiciones de contorno se establecen en enfriamiento por convección desde las superficies posteriores y enfriamiento por radiación desde la parte superior. La relación entre los electrodos exterior e interior se considera \({d}_{2}/{d}_{1}=2,5\) (para un diodo de 300 µm), la longitud del nanogap\(l=10{{{{ {\rm{nm}}}}}}\), potencia de la luz del flash \(=5.5{{{{{\rm{J}}}}}}/{{{{{\rm{c}}}} }}{{{{{{\rm{m}}}}}}}^{2}\) fluencia (\({f}_{A}=1.74{{{{{\rm{J}}} }}}/{{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{{\rm{m}}}}}}}^{2}\) absorbido), y una duración de pulso de \(\tau =750{{{{{\rm{\mu s}}}}}}\) fueron consideradas como las mejores condiciones optimizadas para la conversión de precursores.

Las simulaciones electromagnéticas de diodos se han realizado utilizando el software de simulación de alta frecuencia ANSYS (HFSS). Se simulan cuatro dimensiones diferentes de los diodos. En primer lugar, se dibuja un sustrato de vidrio Borofloat con dimensiones de 3 mm × 3 mm × 1,1 mm y se asignan al sustrato las propiedades eléctricas del vidrio dependientes de la frecuencia, que se han caracterizado de antemano. A continuación, se crea el electrodo circular exterior hecho de Al (M1) con un diámetro de 1300 um, que sirve como plano de tierra. La diferencia entre los cuatro diseños es el diámetro del electrodo circular interior fabricado en Ti-Pt (M2, Ø = 100, 300, 600 y 900 µm). Para Al y Pt, las propiedades del metal a granel se seleccionan de la biblioteca HFSS. El espacio entre los electrodos es de 10 nm. El lanzamiento de la señal de entrada de RF a los diodos se ha realizado desde la parte superior, imitando con precisión la sonda GSG con un paso de 250 µm. Después de la simulación, la magnitud de las corrientes se traza en los electrodos y se selecciona un código de color y un rango idénticos para realizar comparaciones precisas.

Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles de los autores correspondientes previa solicitud razonable.

Dang, S., Amin, O., Shihada, B. y Alouini, M.-S. ¿Qué debería ser 6G? Nat. Electrón. 3, 20–29 (2020).

Artículo Google Académico

Semple, J., Georgiadou, DG, Wyatt-Moon, G., Gelinck, G. y Anthopoulos, TD Diodos flexibles para electrónica de radiofrecuencia (RF): una perspectiva de los materiales. Semisegundo. ciencia Tecnología 32, 123002 (2017).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Kim, M. et al. Conmutadores analógicos fabricados con monocapas de nitruro de boro para aplicación en sistemas de comunicación 5G y terahercios. Nat. Electrón. 3, 479–485 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Zhang, X. et al. Rectenna flexible bidimensional habilitada para MoS2 para recolección de energía inalámbrica de banda Wi-Fi. Naturaleza 566, 368–372 (2019).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Zhang, J. et al. Diodo Schottky de óxido de zinc-indio-galio flexible que funciona a más de 2,45 GHz. Nat. común 6, 7561 (2015).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Chasin, A. et al. Funcionamiento en gigahercios de diodos Schottky a-IGZO. Trans. IEEE. Dispositivos electrónicos 60, 3407–3412 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

Semple, J. et al. Radiofrecuencia Coplanar ZnO Nanodiodos Schottky procesados a partir de solución sobre sustratos plásticos. Pequeño 12, 1993–2000 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Zhang, J. et al. Diodo Schottky de óxido de zinc e indio de galio de ultra alta frecuencia procesado a temperatura ambiente. Dispositivo de electrones IEEE Lett. 37, 389–392 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Georgiadou, DG et al. Diodos Schottky de óxido de zinc de 100 GHz procesados a partir de una solución en una escala de oblea. Nat. Electrón. 3, 718–725 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Loganathan K., et al. Diodos Schottky de 14 GHz utilizando un polímero orgánico dopado con p. Adv. Mate. e2108524 (2022).

Beesley, DJ et al. Creación de patrones por debajo de 15 nm de electrodos y dispositivos metálicos asimétricos mediante litografía de adhesión. Nat. común 5, 3933 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kumar, M. et al. Electrorresistencia de tunelización colosal en uniones de túneles ferroeléctricos de polímeros coplanares. Adv. Materia electrónica. 6, 1901091 (2019).

Artículo Google Académico

Georgiadou, DG et al. Fotodetectores de perovskita de haluro mixto de plomo de cationes mixtos de alta capacidad y velocidad de respuesta basados en electrodos nanogap fabricados en sustratos rígidos y flexibles de gran superficie. Adv. Función Mate. 29, 1901371 (2019).

Artículo Google Académico

Semple, J. et al. Electrónica de nanogap de plástico de área grande habilitada por litografía de adhesión. npj Flex. Electrón 2, 18 (2018).

Artículo Google Académico

Parque, WT et al. Rutas fáciles para mejorar el rendimiento de transistores de película delgada de óxido de metal amorfo procesados en solución mediante recocido con vapor de agua. Materia de aplicación ACS. Interfaces 7, 13289–13294 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Yarali, E. et al. Transistores de óxido metálico de heterounión de bajo voltaje mediante procesamiento fotónico rápido. Adv. Materia electrónica. 6, 2000028 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Yarali, E. et al. Progreso reciente en el procesamiento fotónico de transistores de óxido de metal. Adv. Función Mate. 30, 1906022 (2019).

Artículo Google Académico

Park JS, Jeong JK, Chung HJ, Mo YG, Kim HD Propiedades de transporte electrónico del semiconductor amorfo de óxido de indio-galio-zinc tras la exposición al agua. aplicación Phy. Letón. 92 (2008).

Chen, W.-C. et al. Diodos de heterounión n-InGaZnO/p-Cu2O flexibles procesados a temperatura ambiente y rectificadores de diodos de alta frecuencia. J. física. D. Apl. física 47, 365101 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Guerrero, E. et al. Diodos Schottky de óxido de indio, galio y zinc que operan a través de la transición vítrea de polímeros que responden a estímulos. Adv. Materia electrónica. 6, 1901210 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Chasin, A. et al. Un recolector de energía integrado a-IGZO UHF para etiquetas RFID pasivas. Trans. IEEE. Dispositivos electrónicos 61, 3289–3295 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Wyatt-Moon, G., Niang, KM, Rider, CB y Flewitt, AJ Diodos estables al aire de óxido de indio, galio y zinc con una frecuencia de corte extrínseca de 6,4 GHz fabricados mediante litografía de adhesión. Dispositivo de electrones IEEE Lett. 41, 175–178 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Altazín, S. et al. Física de la respuesta en frecuencia de diodos Schottky orgánicos rectificadores. J. aplicación Phys. 115, 064509 (2014).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Heljo, PS, Li, M., Lilja, KE, Majumdar, HS y Lupo, D. Circuitos rectificadores impresos de media onda y onda completa basados en diodos orgánicos. Trans. IEEE. Dispositivos electrónicos 60, 870–874 (2013).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Lilja, KE, Bäcklund, TG, Lupo, D., Hassinen, T. y Joutsenoja, T. Diodos rectificadores orgánicos impresos en huecograbado que funcionan a altas frecuencias. org. Electrón 10, 1011–1014 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Lin, C.-Y. et al. Rectificadores de diodo de polímero de alta frecuencia para láminas flexibles de transmisión de energía inalámbrica. org. Electrón 12, 1777–1782 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Myny, K., Steudel, S., Vicca, P., Genoe, J. & Heremans, P. Un rectificador de diodo Schottky orgánico de media onda doble integrado en lámina que funciona a 13,56 MHz. Appl Phy Lett. 93, 093305 (2008).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Steudel, S. et al. Rectificador de 50 MHz basado en un diodo orgánico. Nat. Mate. 4, 597–600 (2005).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Im, D., Moon, H., Shin, M., Kim, J. & Yoo, S. Hacia el funcionamiento en gigahercios: rectificadores y diodos orgánicos ultrarrápidos de bajo encendido basados en C60 y óxido de tungsteno. Adv. Mate. 23, 644–648 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Kang, C.-M. et al. Rectificadores de diodo de pentaceno de 1 GHz habilitados por deposición de película controlada en ánodos de oro tratados con SAM. Adv. Materia electrónica. 2, 1500282 (2016).

Artículo Google Académico

Yang, SJ et al. Frecuencia de corte ultrarrápida de 27 GHz en diodos Schottky WSe2 verticales con resistencia de contacto extremadamente baja. Nat. común 11, 1574 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

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Esta publicación se basa en el trabajo respaldado por la Oficina de Investigación Patrocinada (OSR) de la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST) bajo el Premio No: OSR-2018-CARF/CCF-3079 y el Premio No: OSR-2020-CRG9–4347 . TDA y KL desean agradecer la ilustración creada por Ivan Gromicho, ilustrador científico, servicios de publicación y comunicación de investigación, oficina del vicepresidente de investigación, Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (KAUST).

Departamento de Ciencias Físicas e Ingeniería, Centro Solar KAUST (KSC), Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Arabia Saudita

Kalaivanan Loganathan, Hendrik Faber, Emre Yengel, Akmaral Seitkhan, Emre Yarali, Begimai Adilbekova, Afnan AlBatati, Yuanbao Lin, Zainab Felemban y Thomas D. Anthopoulos.

División de Ingeniería y Ciencias Informáticas, Eléctricas y Matemáticas, Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Arabia Saudita

Azamat Bakytbekov, Shuai Yang, Weiwei Li y Atif Shamim

Electrónica y Ciencias de la Computación, Universidad de Southampton, Southampton, SO171BJ, Reino Unido

Dimitra G. Georgiadou

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Ioannina, Ioannina, 45110, Grecia

Eleftherios Lidorikis

Centro de Investigación de la Universidad de Ioannina (URCI), Instituto de Ciencia de los Materiales y Computación, 45110, Ioannina, Grecia

Eleftherios Lidorikis

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TDA y KL esbozaron el proyecto. TDA, HF, E.Ye. y DG guió y supervisó el proyecto. KL y ZF fabricaron dispositivos nanogap a escala de obleas y realizaron mediciones eléctricas. KL analizó los resultados de la medición eléctrica. KL, HF y E.Ye. llevó a cabo las mediciones de CV y IV dependientes de la temperatura. KL y HF analizaron los datos de CV e IV dependientes de la temperatura. KL y E.Ya. realizó y optimizó los experimentos de recocido con luz de flash. EL realizó las simulaciones opto-térmicas. KL, A.Se., BA y AA realizaron mediciones de microscopía electrónica. Ceniza. SY, WL y AB configuran las mediciones de alta frecuencia. KL, HF, SY, WL y E.Ye. analizó los resultados de medición de alta frecuencia de un puerto. KL, HF, AB y E.Ye. realizó y analizó mediciones de salida de voltaje. KL y AB realizaron simulaciones HFSS. YL y KL delinearon y dibujaron los esquemas. KL, escribió el primer borrador del manuscrito. LD realizó las simulaciones optotérmicas y los análisis correspondientes. Todos los autores discutieron los resultados y contribuyeron a la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Thomas D. Anthopoulos.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a Jimin Maeng y a los demás revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

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Loganathan, K., Faber, H., Yengel, E. et al. Fabricación rápida y escalable de diodos nanogap de gigahercios. Nat Comun 13, 3260 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30876-6

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Recibido: 08 noviembre 2021

Aceptado: 17 de mayo de 2022

Publicado: 07 junio 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30876-6

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