通過粘合光刻技術制備的納米級肖特基二極管

為了制造納米級光子和電子設備，工程師需要由不對稱金屬制成的電極，這些電極由納米(nm)長度尺度的間隙隔開。到目前為止，這些電極中的大多數都是使用高端構圖技術制造的，例如電子束光刻。

雖然已經發現電子束光刻技術可以在不對稱金屬電極中進行高保真圖案化，但它也存在許多局限性。例如，通常很難大規模應用，因為它只能同時處理有限數量的項目，并且僅對某些材料有效。

阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)和倫敦帝國理工學院的研究人員介紹了一種替代方法，該方法可潛在地用于大規模制備不對稱納米間隙電極。最近，他們使用了這種技術(幾年前在《自然通訊》上發表的一篇論文中首次提出)來制造納米間隙電極設備。

“我們最近的研究是基于我的小組在2014年偶然發現的;該方法(即粘附平版印刷術或'a-Lith')可用于對由相同或不同金屬制成的兩個電極進行構圖的方法彼此之間的距離小于15海里。”進行這項研究的首席研究員Thomas D. Anthopoulos對TechXplore說。“盡管我們最初的興趣是制造自對準柵晶體管，但我們很快意識到，自對準電極之間的距離很小(即，長度小于15 nm的納米間隙)。”

Anthopoulos和他的同事設計的制造方法不需要特別復雜的工具，也可以使用傳統的光刻設備將其應用于大部分材料上。此外，它可以實現良好的結果，而不必采用其他且通常昂貴的構圖技術，例如電子束光刻。

當他們大約在五年前開始測試其方法時，研究人員主要將其用于制造有機光電納米間隙器件。但是，他們很快意識到，它還允許使用前體溶液將無機材料(如ZnO)沉積在納米間隙內。

在最近的研究中，Anthopoulos和他的同事使用他們的a-Lith技術創建了可以在微波和毫米波頻段工作的溶液處理的ZnO肖特基二極管。為了制造這些二極管，他們使用晶圓級的a-Lith圖案化了兩個不對稱的金屬電極，將它們隔開約15 nm的間隙。最后，他們通過在器件襯底上沉積ZnO層來完成它們。

“ a-Lith可以使兩種不同的金屬彼此非常接近地排列，這一事實使我們能夠分別調節兩個金屬-ZnO觸點的特性，從而使一個歐姆變成另一個，而-15 nm消失，從而使整個平面該設備的行為就像二極管(即，僅允許電流在一個方向上流動的設備)，” Anthopoulos說。“這個關鍵器件參數的納米級尺寸是我們的平面ZnO肖特基二極管具有出色工作特性的原因。”

a-Lith的制造過程相當簡單，因此可能更易于大規模實施。它還不需要對沉積參數的精確控制，這在創建傳統的垂直型二極管時通常是必需的。

Anthopoulos說：“使用傳統的光刻技術并結合一些關鍵的處理步驟，可以很容易地在大面積基板(玻璃，硅甚至聚合物)上制造我們的二極管。” “這些步驟使我們能夠在兩個重疊的金屬電極之間進行機械剝離，從而在兩個重疊的金屬電極之間形成納米間隙。一旦形成了不對稱的納米間隙電極，就會形成ZnO或摻雜鋁的前體溶液通過旋涂將ZnO沉積在頂部，然后在空氣中進行最后的熱退火步驟。”

由Anthopoulos制造的二極管具有100 GHz的最大固有截止頻率。此外，研究人員將它們與其他無源電子元件集成在一起以創建射頻能量收集電路，并發現這些電路在2.45 GHz和10 GHz時分別達到600 mV和260 mV的輸出電壓。

Anthopoulos說：“ a-Lith方法是可擴展的自下而上技術如何與既定的自上而下方法巧妙結合以產生創新的加工范式的有力實例，該范式提供了優于傳統制造技術的獨特優勢，” Anthopoulos說。“我們的ZnO二極管首次展示了我們的處理范例如何產生能夠以解決方案處理的大面積電子設備(尤其是物聯網(IoT)設備生態系統)無法想象的頻率工作的設備。”

理論上，用于創建這些肖特基二極管的設計和制造過程也可以用于開發其他電路組件，包括電阻器和電容器。將來，這項研究可以為眾多設備以及單片射頻(RF)電路的開發和大規模生產鋪平道路，而無需昂貴且通常不可靠的異構組件集成過程。

Anthopoulos說：“我認為我們的工作將傳統的射頻電子設備與印刷的大面積電子設備的新興領域聯系起來，并具有實現許多新應用的潛力。” “我們現在正在利用納米間隙技術開展多個項目，包括開發改進的，高度可擴展的納米光刻技術，這些技術在提高分辨率的同時又易于實施，同時還開發了創新的光電，傳感器和能量收集/發電設備。未來對于我們的大而微小的納米間隙絕對是明亮的。”