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Nature Communications volume 13、記事番号: 3260 (2022) この記事を引用

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第 5 世代およびモノのインターネット技術の大規模な展開には、高周波エレクトロニクスの大量生産のための正確で高スループットの製造技術が必要です。我々は、自然発生的に形成された自己整合型<10 nmナノギャップにおける印刷可能なインジウムガリウム亜鉛酸化物半導体とフラッシュランプアニーリングを使用して、5G周波数で動作する任意のサイズの基板上にナノギャップショットキーダイオードを迅速に製造することを実証します。これらのダイオードは、100 GHz を超えるカットオフ周波数 (固有) を示しながら、低い接合容量と低いターンオン電圧を兼ね備えています。これらのコプレーナダイオードで構築された整流回路は、最大 47 GHz (外部) で動作することができ、これまでに実証された中で最速の大面積電子デバイスとなります。

第 5 世代 (5 G) モバイルネットワークは現在商用化されており、95 GHz を超える周波数で動作する第 6 世代 (6 G) テクノロジーに向けた研究が順調に進んでいます1。これにより、新興のモノのインターネット (IoT) プラットフォーム 1 と組み合わせて、拡張現実と仮想現実の使用が拡大します。 5 G と 6 G はどちらも、ショットキーダイオード、トランジスタ、アンテナ、スイッチなどの高周波デバイスを必要とします。これらはすべて、予想される大規模展開を可能にするために非常に低コストです 1、2、3。ショットキーダイオードは、整流回路、周波数逓倍器、ミキサーなどの無線周波数 (RF) 電子機器の至る所に存在する重要な要素です 2、4。現在の最先端のショットキーダイオード技術は、確立された高度に洗練された製造方法に依存する Si および III-V 族半導体に基づいています2。残念ながら、これらには、フレキシブル基板との非互換性、大面積生産、限られたスループット、高温処理などの大きな技術的制限があります。その結果、大面積エレクトロニクスに既存の RF ダイオード技術を大量に採用することは依然として困難です。

金属酸化物半導体で作られた RF ショットキーダイオードは、その高い電荷キャリア移動度、環境に優しく安価な材料、加工の容易さ、機械的コンプライアンス、および大面積ポリマー基板との互換性により、近年ますます注目を集めています。 8. ショットキーダイオードの動作周波数を最終的に決定する重要なパラメータは、接合容量 (Cj) とデバイスの直列抵抗 (Rs)2 です。したがって、ショットキーダイオードで GHz 動作を実現するには、超小型静電容量 (

最近、接着リソグラフィー (a-Lith) が、超低静電容量と短いキャリア走行時間のコプレーナ接合アーキテクチャの開発を可能にすることで、従来の垂直ショットキーダイオードが直面する制限の一部を緩和するために使用されています 7、9、10、11。。不揮発性メモリ 12、光検出器 13、自己整合ゲート薄膜トランジスタ (SAG-TFT) および発光ダイオード (LED) 14 など、他の幅広い平面デバイスも実証されており、これらはすべて平面ナノギャップ電極に依存しています。 a-Lithを使用します。従来の a-Lith では、オクタデシルホスホン酸 (ODPA) が自己組織化単分子膜 (SAM) として使用され、第 1 電極 (M1) の表面エネルギーを変更し、その後処理される第 2 金属電極 (M2) の接着力を低減します。次に、後者は粘着テープまたは接着剤で（M1-SAM/M2 界面から）剥がされ、ナノギャップによって分離された隣接する M1 電極と M2 電極が残ります。しかし、この手動の剥離ステップはナノギャップのサイズと均一性に影響を及ぼし、デバイス間で測定可能なばらつきを引き起こす9、11ため、完全に自動化された産業関連の製造プロセスでのこの技術の採用が妨げられます。

M2 として Ti-Pt バイメタルの組み合わせを採用することで、剥離ステップを完全に回避できることを示します。バイメタル M2 は、基板に強く付着したままで、堆積中に M1-SAM との界面で自発的に剥離します。これにより、10 nm 以下のナノギャップの一貫した形成が可能となり、共面金属ナノギャップの信頼性の高い大面積製造が可能になります。さらに、溶液処理された金属酸化物半導体 (インジウムガリウム亜鉛酸化物、IGZO) をナノギャップチャネル全体で迅速に変換するために、フラッシュランプアニーリング (FLA) を導入しています。長時間（45 分以上）にわたる高温（≧ 400 °C）に依存する従来の熱アニール 15 とは異なり、FLA では、温度に敏感な基板材料 17 よりも少ないサーマルバジェットで、大面積の金属酸化膜の処理 16 が可能になります。

アルミニウム（Al）/チタン - プラチナ（Ti-Pt）ナノギャップ電極の共面アレイを製造するためのプロセスステップを図1aと補足図1に示します。 M1/上のTi-Pt（M2）の接着力の低下疎水性のアルキル尾部とメチル末端基（補足図2）とM2内の内部応力によるSAMにより、補足図3に示すように、2番目の層（M2）の明示的な自己剥離が可能になります。この自己剥離は、次のいずれかです。補足図4に示すように、Ti-Ptフィルムが瞬時に完全に除去されるか、チューブやさまざまな形状に丸められます。残っているM2の完全な除去は、窒素流または基板全体を浸すことによって達成されます。穏やかに撹拌しながら液体 (アセトン、イソプロピルアルコール、または脱イオン水) に加えます (動画 S1)。 M2 残留物は収集してリサイクルできます。円形、相互嵌合型、細長いバー構造のアレイが 4 インチのガラスウェーハ上に作製されました (補足図 5)。この研究で使用されるダイオード構造の詳細かつ特定の寸法は、補足図6に示されています。上面走査型電子顕微鏡で明らかになっているように、電極間距離、つまりナノギャップ長Lは18.7 nm未満です（ SEM）画像（図1bおよび補足図7、8）。ただし、断面透過型電子顕微鏡 (TEM) によって測定されるように (図 1c)、L は 10 nm より小さくなる可能性があります。

a ウェーハスケールのナノギャップ電極製造の概略図。主要なステップには、Al 電極上でのパターニングと選択的 SAM 形成 (左)、その後の Ti-Pt 堆積 (中央) が含まれ、その結果、Al/SAM 表面上の Ti-Pt 膜の自己剥離が起こりました (右)。 b Al/SAM 表面上のみの Ti-Pt の自己剥離を示し、Al 金属と Ti-Pt 金属間のナノギャップを明らかにする SEM 画像。 c Al/Ti-Pt 電極間のナノギャップ (<10 nm) を示す高解像度断面 TEM 画像。

ショットキーダイオードの製造に対する自己形成非対称ナノギャップ電極の適合性を調査するために、n型半導体としてIGZOを採用しました。結果として得られる同一平面上の Al/IGZO/Ti-Pt デバイス構造では、Al (M1) 電極は、その低い仕事関数 (約 4.2 eV) と IGZO の伝導帯最小値との良好なマッチングにより、オーミックコンタクトとして機能します。バイメタル Ti-Pt (M2) は、Pt の大きな仕事関数 (約 5.8 eV) によりショットキー接触を形成します8。 IGZO 堆積は 2 つのステップで実行されました。(i) 前駆体堆積はゾルゲルルートを介して実行され、(ii) サンプルは大気中で FLA にさらされました。これらの主要な処理ステップを図 2a に概略的に示します。図2b、cおよび補足図9〜11からわかるように、形成されたIGZO層はナノギャップを埋めているように見えますが、その層全体のさまざまな関連元素の濃度の変動が観察できます。これは、IGZO がナノギャップを部分的に充填した結果、および/またはサンプルの損傷が発生する可能性があるラメラの準備 (つまり、イオンミリングと研磨) 中に誘発された外部効果の結果である可能性があります。これらの変動にもかかわらず、IGZO 層がナノギャップを充填し、M1 および M2 電極との接触を形成すると結論付けています。光熱シミュレーションにより、発生する温度過渡現象に対する FLA プロセスパラメーターの影響が明らかになります。図 2d は、ナノギャップ内の Ti-Pt (α) および Al 電極 (γ) と金属エッジ (β) の温度プロファイルを示しています。図2eに示すように、M2（Ti-Pt）の温度は、光吸収の割合が大きいため、M1（Al）よりも高くなります。ただし、この違いにもかかわらず、電極の近接性（<10 nm）により、ナノギャップ（β）内でほぼ均一な温度分布が可能になります（補足図12および表1）。ギャップ内のピーク温度上昇の有意な勾配は、100 nmを超えるギャップでのみ見られます（図2f）。後者の発見は、短い (<16 nm) 電極間ナノギャップの独特の利点を強調しています。ナノギャップの内外の温度はデバイスの面積（サイズ）に依存し、デバイスの直径が200μmを超えると収束します（図2g）。 \(v=1.2{{{{\rm{Hz}}}}}}\) で FLA パルスを繰り返した効果は、10 パルス後に飽和に達し、瞬間的な \(\varDelta {T}_{{peak}} が得られます) \cong 360^\circ {{{{{\rm{C}}}}}}\) と基板裏面 \(\varDelta {T}_{{back}}\cong 35^\circ { {{{{\rm{C}}}}}\) (図 2h)。ダイオードの性能に対する FLA パラメータの役割を補足の図 13 に示します。全体として、FLA は、基板を無傷のままにして、ナノチャネルでの標的を絞った迅速かつ正確なエネルギー送達を促進します。

a ナノギャップ電極上の IGZO 膜の溶液処理の概略図。 b、c HR-TEM 断面画像と、ナノギャップ空間内の In、Zn、および O 元素を示す対応する EELS マッピング。 d Ø300 µm デバイスの温度カラーマッププロファイルには、Ti-Pt (α)、Al (γ)、および電極端 (β) の温度が表示されます。 e α、β、γ 点における時間依存の温度上昇 (ΔT) プロット。 f 横方向ギャップ間隔の関数としてのピーク温度上昇は、より低いギャップサイズ (<30 nm) ではチャネル内の温度差が無視できることを示しています。 g 金属内径に対するα、β、γ領域の温度上昇ピーク（ΔT）を示し、200μm以降で収束します。 h 1.2 Hz の繰り返しレートと 750 μs のパルス持続時間で到着する最初の 11 パルスを含む完全な過渡現象を示します。

空のナノギャップの I-V 特性（図 3a）は、直径 900 μm のダイオード 36 個のアレイ（挿入写真）に含まれるすべてのデバイスに対して優れた電気絶縁性（電流レベル <10−10 A）を示しており、100% の歩留まりを示唆しています。ナノギャップの形成。 IGZO コーティングと FLA プロセスの後、ダイオードは n 型動作、高い整流性、および超低逆電流 (約 10-10 A) を示しました。比較すると、2 つの異なる温度 (300 ℃と 400 ℃) での熱アニーリングを介して準備された参照デバイスは、長いアニーリング時間 (約 45 分) を必要とし、ヒステリシス、低い整流、および高いターンオン電圧を示しました (図 3b)。 FLA ダイオードは 104 を超える整流比を示し (図 3c)、順電流 (2 V における) はダイオードの直径に比例して変化します (図 3d)。直列抵抗 (RS)、バリア高さ (ΦB)、理想係数 (n)、実効リチャードソン定数 (A*)、および内蔵電位 (Vbi) などの FLA ダイオード接合パラメータは、IV、IVT、およびCV 測定 (補足図 14 ～ 17) と結果は補足表 2 にまとめられています。

空のAl/Ti-Ptナノギャップ電極で構成される36個のデバイスの1つの完全なアレイのIV特性（挿入写真）。 0.1 nA 未満の一貫した電流レベルは、両方の金属間の完全な電気絶縁を意味します。 b 熱アニールおよびフラッシュランプアニール（FLA）Al/IGZO/Ti-Pt ダイオードの I-V 特性。 FLA 処理されたダイオードは、熱アニールされたダイオードと比較して、より優れた整流性、より少ないヒステリシス、および 0 V に近いターンオンを示します。 c FLA ダイオードの I-V 特性。ダイオードの直径に応じて電流が増加します。 d いくつかのダイオードの 2 V での電流。ダイオードの直径に応じて変化します。実験データ (R2 = 0.997) への線形フィットにより、ダイオードの面積が、Ti-Pt (M2) 電極の厚さ (100 nm) と円周 (πd) の積として使用されることが検証されます。 e–h S11 測定から抽出されたダイオードの周波数依存インピーダンス。 (e) の挿入図は、コプレーナダイオードと接触しているグランド-シグナル-グランド (GSG) プローブを示しています。

IGZOはデバイス性能の低下を引き起こす可能性がある酸素と水分子の影響を受けやすいことが知られているため、準備されたままのAl / IGZO / Ti-Ptダイオードの動作特性に対する空気の影響も調査されました（補足図15を参照） )18. 実際、ショットキーダイオードは、相対湿度が 55% 程度、25 °C の周囲空気中で測定すると、時計回りのヒステリシスを伴って逆電流が増加しています。エポキシベースのネガ型フォトレジスト SU-8 の層を上に塗布すると、ダイオードが不動態化され、周囲大気に 3 か月間長期間さらされた後でも、一貫した I-V 特性が得られます (補足図 15c を参照)。これらの結果は、ショットキーダイオードの動作を安定させるための実装が簡単なパッシベーション層の互換性を強調しています。プレーナ型 IGZO デバイスのバイアス安定性も調査されました。非カプセル化ダイオードは約 5 V の逆降伏電圧を示し、それを超えると電流が急激に増加します。 (補足図18a)。同様の発見は、異なる半導体をベースにした同様のプレーナナノギャップダイオードでも報告されています9、10。しかし、ブレークダウン電圧が比較的低いにもかかわらず、当社のプレーナ型 IGZO ダイオードは、RF ミキサー、検出器、論理回路、無線エネルギーハーベスタなどのさまざまな低電力 RF アプリケーションに最適であると考えています。

RF ワイヤレスエネルギーハーベスティングおよび RF ID タグの場合、アンテナとダイオードの整流回路が最終的に動作周波数、電力変換効率、コストを決定します2。たとえば、当社のダイオード（補足図18b、c）の高い非線形性（>3）と電流応答性（6〜8 AW−1）は、RFアプリケーションにとって重要な要素です4。周波数応答は、高周波入力信号を使用し、周波数依存の反射係数（S11）とダイオードインピーダンスを抽出する1ポート散乱測定セットアップ（補足図19）で測定されました。固有カットオフ周波数 fC,int は、インピーダンスの実数部 (RS、直列抵抗) と虚数部 (XC、リアクタンス) の交点から推定できます (図 3e–h)。特に、インピーダンスの実部から抽出された直列抵抗は、デバイスの実効直列抵抗 (Rse) (主に接触抵抗) を表し、接合の空乏領域に関連する抵抗は除外されます。したがって、その値は、ダイオード 5 の DC 電流電圧特性から抽出された値よりも桁違いに低くなります。驚くべきことに、大きな直径（600 μm および 900 μm）のダイオードの Rse は、ナノギャップ幅が増加しても減少するのではなく、同様のままです。補足図20に示されているRF電流分布プロファイルのシミュレーションは、この異常の説明を提供します。ダイオードの直径が 100 μm から 900 μm に増加すると、電流分布プロファイルは給電点 (つまり、RF 信号が発信される中央電極の位置) 付近に限定され、電極全体に均一に広がりません。その結果、より大きなサイズのダイオードでは、測定された Rse は幅に比例しなくなり、より複雑な関係に従います。カットオフ周波数点を超えて見られるインピーダンスの急激な変化は、回路内の共振の結果である可能性が最も高くなります。同様の挙動が、さまざまな金属酸化物や有機半導体をベースにしたナノギャップダイオードについても最近報告されました9、10。図3e〜hから抽出された固有のカットオフ周波数値は、より大きなダイオード（900μm）の16 GHzから最小直径ダイオード（100μm）の100 GHz以上までの範囲にあります。後者の観察は、主にダイオード接合容量 (Cj) と直列抵抗 (RS) の減少に起因します (補足表 3)。チャネル直径ごとにいくつかのダイオードが測定され（補足図21、22）、そこから平均fC、intおよびCjが計算され、それぞれ図4a、bにまとめられました。

a S11 の 1 ポート測定から測定された複数のダイオード (直径ごと) の平均固有カットオフ周波数と接合容量 (Cj)。ダイオードの直径が小さくなるにつれて、カットオフ周波数は増加します。一方、Cj (10 GHzで測定) は、直径の減少に伴って減少しています。 b 0.1 GHz ～ 18 GHz の範囲での S11 測定から抽出された Al/IGZO/Ti-Pt ダイオードの接合容量。すべての場合において、Cj は非常に小さな値 (<1 pF) を表示します。 c 5 dBm 電力入力時の整流電圧出力と入力周波数の関係。外部カットオフ周波数は電力点の半分で抽出されました。直径 900 µm のダイオードの電力依存 (d) および周波数依存 (e) の電圧出力。 f 固有カットオフ周波数 (fC,int、S11 から) と外部カットオフ周波数 (fC,ext、電圧出力測定から) の依存性。直径あたり 10 個のダイオードで測定され、fC が明らかに増加していることがわかります。ダイオード幅を縮小します。エラーバーは、ダイオードのカットオフ周波数の標準偏差を示します。

実際のアプリケーションでは、ダイオードの外部カットオフ周波数 fC,ext がすべてのデバイスコンポーネントの影響を受けるため、より重要になります。これは、−3 dB 点、つまり電力がピーク値の 1/2 に低下する周波数 (電圧出力 VOUT が 1/\(\sqrt{2}\) に低下する周波数) から推定できます2。。周波数の関数としての整流された DC 出力電圧は、バイアスティー、Al/IGZO/Ti-Pt ダイオード、および 10 MΩ 負荷抵抗 RL で構成される半波整流器セットアップを使用して測定されました (補足図 23)。すべてのダイオードの -3 dB 点投影とその結果として生じる外部カットオフ周波数を図 4c に示します。予想どおり、出力電圧 (VOUT) は、ダイオードのアクティブ領域 (図 4c) と入力電力 (図 4d) の両方の増加とともにスケールアップします。入力 RF 電力の関数としての出力電圧は、低入力電力では 2 乗の法則に従い、より高い入力電力では平方根の法則に従います。図4eでは、対応する2つの線形領域が5 GHzまではっきりと識別できます。ナノギャップ直径の増加に伴う固有（S11測定から）および外部（整流回路測定から）カットオフ周波数の変化（直径あたり10個のダイオードから抽出）を図4fに示します。直径が 300 ～ 900 µm の範囲のダイオードでは、カットオフ周波数の標準偏差が小さいことが観察されました。直径 100 μm のダイオードの fC で観察されたわずかに高い標準偏差は、わずかに異なる準備とテスト条件の結果である可能性があります。固有 fC 値と外部 fC 値の間に観察された大きな差は、使用されている整流回路に関連する寄生損失に起因する可能性が高く 5、さらなる改善の可能性を強調しています。非理想的にもかかわらず、当社のダイオードの外部 fC は、溶液処理可能な金属酸化物 5、7、9、19、20、21、22、有機ポリマー 23、24、25 などのさまざまな処理技術や半導体材料を使用して以前に達成されたものを上回っています。、26、有機低分子27、28、29、30、およびさまざまな低次元半導体4、31。図 5 は、新興ショットキーダイオード技術の分野における長年にわたる最も重要な開発をまとめたものであり、各研究の詳細は補足表 4 にリストされています。明らかに、当社の自己形成 IGZO ショットキーダイオードは、製造の簡素性と拡張性を維持しながら、優れた性能を提供します。したがって、FLA プロセスと組み合わせた自己形成ナノギャップ法は、ワイヤレス接続を支援することで新興 5 G/6 G 市場に大きな影響を与える可能性がある大面積 RF エレクトロニクスの代替の迅速大量製造パラダイムのすべての前提条件を満たしていると当社は考えています。将来の IoT デバイスエコシステムを強化するだけでなく。

このプロットは、現在のダイオード (この研究) の外部カットオフ周波数 (fC) と、さまざまな半導体材料 (つまり、有機小分子、有機ポリマー、金属酸化物、および 2D 材料) を使用して製造された以前に報告されたショットキーダイオードと、真空および真空を介して比較しています。溶液処理方法。この図に使用された文献データは、補足表 4 にまとめられています。

まず、Borofloat ガラスウェーハ (Semiconductor Weapons Inc. 製) を、各溶媒中で 10 分間超音波処理しながら脱イオン水/アセトン/イソプロパノール (IPA) で順次洗浄しました。次に、厚さ 100 nm のアルミニウム (Al) 電極 (M1) を高真空 (10-6 ミリバール) 中で 2 Å/s の速度で熱蒸着し、従来のフォトリソグラフィーとウェットエッチングを使用して所望の形状にパターン化しました。 M1 パターンは、明視野パターニング (最終的には Al が外側電極になります) と暗視野パターニング (Al が内側電極になります) アプローチを使用する 2 つの異なる方法で行うことができます。標準プロセスでは明視野パターニングに従いましたが、後の方法も使用できます。溶媒として 30 mL の IPA に 1 mM (7.8 mg) のオクタデシルホスホン酸 (ODPA、Sigma-Aldrich から購入) を含む SAM 溶液を調製しました。パターン化された基板を SAM 溶液に一晩 (20 時間) 浸漬して、特に Al (M1) 表面上に自己組織化単分子層を形成しましたが、ガラス基板表面には SAM を残しませんでした。次に、基板を IPA ですすぎ、窒素ガスで乾燥し、80 °C で 10 分間アニールして、物理吸着された ODPA 分子と過剰な溶媒を除去しました。最後に、ガラス基板への接着を促進するための 5 nm のチタン (Ti) 下層を備えたプラチナ (Pt) 電極 (95 nm) を電子ビーム蒸着によって蒸着しました。 SAM/Al 表面上の Ti-Pt (M2) 膜による接着力の低下と固有応力により、Ti-Pt (M2) 金属の自己剥離または自己形成として知られる選択的除去が発生します。 2 番目のフォトリソグラフィーとウェットエッチングのステップを実行して、グローバル Al 電極 (M1) をパターン化して各ダイオードを分離しました。 M1 および残りのフォトレジストから ODPA SAM を除去するために、UV オゾン処理を 15 分間実行し、最終的にギャップサイズが通常 < 10 nm の空のナノギャップ電極を露出させました。

まず、0.1 M 濃度の硝酸インジウム (III) 水和物 (純度 99.999%、Sigma-Aldrich から購入)、硝酸ガリウム (III) 水和物 (純度 99.999%、Sigma-Aldrich から購入)、および硝酸亜鉛六水和物 (Fisher Chemicals から購入) を次の方法で調製しました。これらを２－メトキシエタノール溶媒に別々に溶解し、溶液を９００ｒｐｍで一晩撹拌した。第２に、上記の溶液を体積比５：１：３（Ｉｎ：Ｇａ：Ｚｎ）で混合することによってＩＧＺＯ溶液を調製し、再び９００ｒｐｍで一晩撹拌した。最後に、得られた溶液を 0.2 μm PTFE シリンジフィルターで濾過し、窒素を充填したグローブボックス内のナノギャップデバイス上に 3000 rpm で 30 秒間スピンコーティングによって膜を堆積し、その後 130 °C で 10 分間乾燥させました。フラッシュランプアニーリングは、Novacentrix Pulse Forge 1300 を使用して実行されました。フラッシュランプへの電圧は 600 V に維持され、パルス幅は 500 μs から 1250 μs まで変化し、点火速度は 1.2 Hz で一定に維持されました。各条件でパルスエネルギーを 4.5 J/cm2 から 6 J/cm2 まで変化させ、パルスを 20 回繰り返しました。最適なダイオード性能は、600 V、1.2 Hz の点火速度、750 μs のパルス長、および 5.5 J/cm2 エネルギー密度で達成されました。

Al/Ti-Pt ナノギャップの上面走査電子顕微鏡 (SEM) 画像は、動作電圧 5 kV の電界放出電子源を備えた Helios G4 UX 顕微鏡によって取得されました。断面 TEM 画像の場合、まず、ナノマニピュレーター (Omniprobe、AutoProbe300) を備えた走査型電子顕微鏡 (Helios 400 s、FEI) で集束イオンビーム (FIB) を使用して薄いラメラを作成しました。サンプルの表面は、電子ビームとイオンビームの下で堆積されたカーボンとプラチナの連続層によって保護されました。サンプルの大部分を Ga イオンビームで約 10 mm の深さまでミリングしました。 8～10μm。 FIB でアンダーカットを作成し、ナノマニピュレーターを使用してバルクからラメラを抽出しました。ラメラは銅の TEM グリッドに取り付けられ、30 kV の FIB で電流を 2.8 nA ～ 93 pA の範囲で連続的に減少させて薄くしました。ラメラは、可能性のある汚染を除去するために、低電圧 (5 kV および 2 kV) で FIB を使用して研磨されました。次に、300 kV の動作電圧で TEM (Titan 80-300、FEI、電子モノクロメーターおよび Gatan イメージングフィルターを備えた、GIF Quantum 966) を使用して断面画像を取得しました。電子エネルギー損失分光法 (EELS) 画像は、スペクトルイメージング (SI) と呼ばれる走査型 TEM (STEM) モードで取得されました。

ダイオードの電流-電圧(I-V)特性評価は、Keysight B2912A高精度ソース/測定ユニットを使用して、窒素を充填したグローブボックス内で実行されました。温度依存の I-V 測定は、Keysight B1500A 半導体デバイス・アナライザと組み合わせた極低温プローブ・ステーション (Lake Shore Cryotronics Inc.) で実行されました。静電容量の測定は、窒素を充填したグローブボックス内で室温で Solartron SI 1260 インピーダンス/ゲイン位相アナライザーを使用して記録されました。高周波散乱パラメータ (S11) の測定値は、10 MHz ～ 50 GHz で動作する Agilent PNA N5225A を通じて (空気中で) 取得されました。ピッチ 500 μm の Cascade Infinity GSG プローブ (ACP-40) は、106 ～ 682 のインピーダンス標準基板 (ISS) 上で有効なショート、オープン、ロード (SOL) 校正後に使用されました。整流器の測定は、GSG Picoprobes (GGB Industries 製) を介してバイアス T 字 (10 MHz ～ 18 GHz) に接続された真空密閉チャンバー (1 × 10−5 torr) 内で行われました。出力電圧は、Keysight 34465 A デジタル・マルチ・メータ (DMM) に接続された負荷抵抗 RL = 10 MΩ の両端で測定されました。

COMSOL ソフトウェアを使用して光熱シミュレーションを実行し、電極の表面および電極の端 (ナノギャップが存在する場所) での実際の温度プロファイルを抽出しました。 Al、Ti、Pt、ガラスの光学特性は Sopra データベースから取得されます。境界条件は裏面からの対流冷却と上部からの放射冷却に設定されています。外側電極と内側電極の比率は \({d}_{2}/{d}_{1}=2.5\) (300 µm ダイオードの場合)、ナノギャップ長 \(l=10{{{{ {\rm{nm}}}}}}\)、フラッシュ光量 \(=5.5{{{{{\rm{J}}}}}}/{{{{{\rm{c}}}} }}{{{{{\rm{m}}}}}}^{2}\) フルエンス (\({f}_{A}=1.74{{{{{\rm{J}}}) }}}/{{{{{\rm{c}}}}}}{{{{{{\rm{m}}}}}}}^{2}\) 吸収）、パルス幅は\(\tau =750{{{{{\rm{\mu s}}}}}}\) は、前駆体変換に最適な条件と考えられました。

ダイオードの電磁シミュレーションは、ANSYS 高周波シミュレーションソフトウェア (HFSS) を使用して実行されました。 4 つの異なる寸法のダイオードがシミュレーションされます。まず、寸法 3 mm × 3 mm × 1.1 mm のボロフロートガラス基板を描画し、事前に特性評価したガラスの周波数依存の電気的特性を基板に割り当てます。次に、直径 1300 um の Al (M1) 製の外側の円形電極を作成し、グランドプレーンとして機能します。 4 つの設計の違いは、Ti-Pt 製の内側円形電極の直径 (M2、Ø = 100、300、600、および 900 µm) です。 Al および Pt の場合、バルク金属特性は HFSS ライブラリから選択されます。電極間のギャップは１０ｎｍである。ダイオードへの RF 入力信号の送信は上部から行われ、250 μm ピッチの GSG プローブを正確に模倣しています。シミュレーション後、電流の大きさが電極上にプロットされ、正確な比較のために同じカラーコードと範囲が選択されます。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応著者から入手できます。

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この出版物は、キング・アブドラ科学技術大学 (KAUST) のスポンサー研究局 (OSR) によって支援された研究 (賞番号: OSR-2018-CARF/CCF-3079 および賞番号: OSR-2020-CRG9–4347) に基づいています。。 TDA と KL は、キング・アブドラ科学技術大学 (KAUST) の研究担当副学長室、研究コミュニケーションおよび出版サービス担当の科学イラストレーターである Ivan Gromicho 氏が作成したイラストに感謝したいと思います。

物理科学工学部、KAUST ソーラーセンター (KSC)、キングアブドラ科学技術大学 (KAUST)、トゥワル、23955-6900、サウジアラビア

カライヴァナン・ロガナサン、ヘンドリック・ファーバー、エムレ・イェンゲル、アクマラル・セイトカーン、エムレ・ヤラリ、ベギマイ・アディルベコワ、アフナン・アルバタティ、ユアンバオ・リン、ザイナブ・フェレンバン、トーマス・D・アンソプロス。

コンピュータ、電気および数学科学および工学部門、キング・アブドラ科学技術大学 (KAUST)、トゥワル、23955-6900、サウジアラビア

アザマト・バキトベコフ、ヤン・シュアイ、リー・ウェイウェイ、アティフ・シャミム

エレクトロニクスおよびコンピュータサイエンス、サウサンプトン大学、サウサンプトン、SO171BJ、英国

ディミトラ・G・ジョルジャドゥ

材料科学工学部、ヨアニナ大学、ヨアニナ、45110、ギリシャ

エレフテリオス・リドリキス

ヨアニナ大学研究センター (URCI)、材料科学およびコンピューティング研究所、45110、ヨアニナ、ギリシャ

エレフテリオス・リドリキス

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TDAとKLはプロジェクトの概要を説明した。 TDA、HF、E.Ye. そしてDGがプロジェクトを指導、監督しました。 KL と ZF はウェーハスケールのナノギャップデバイスを製造し、電気測定を実施しました。 KL は電気測定の結果を分析しました。 KL、HF、E.Ye。 CV および温度に依存する IV 測定を実行しました。 KL と HF は、CV と温度に依存する IV データを分析しました。 KLとE.Ya。フラッシュライトアニーリング実験を実行し、最適化しました。 EL は光熱シミュレーションを実行しました。 KL、A.Se.、BA、AA は電子顕微鏡測定を実施しました。灰。 SY、WL、AB は高周波測定を設定します。 KL、HF、SY、WL、E.Ye。 1ポート高周波測定結果を分析しました。 KL、HF、AB、E.Ye。電圧出力測定を実行および分析しました。 KL と AB は HFSS シミュレーションを実行しました。 YL と KL は概要を説明し、回路図を描きました。 KLは原稿の初稿を書きました。 LD は光熱シミュレーションと関連分析を実行しました。著者全員が結果について議論し、原稿の最終版に貢献しました。

トーマス・D・アンソポロスへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Jimin Maeng と他の匿名の査読者に感謝します。

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転載と許可

Loganathan, K.、Faber, H.、Yengel, E. 他ギガヘルツナノギャップダイオードの迅速かつ大規模な製造。 Nat Commun 13、3260 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-30876-6

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受信日: 2021 年 11 月 8 日

受理日: 2022 年 5 月 17 日

公開日: 2022 年 6 月 7 日

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

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