rápido e para cima

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3260 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A implantação maciça de tecnologias de quinta geração e internet das coisas requer técnicas de fabricação precisas e de alto rendimento para a produção em massa de eletrônicos de radiofrequência. Usamos semicondutores imprimíveis de óxido de índio-gálio-zinco em nanogaps auto-alinhados <10 nm formados espontaneamente e recozimento de lâmpada flash para demonstrar a fabricação rápida de diodos Schottky nanogap sobre substratos de tamanho arbitrário operando em frequências de 5 G. Esses diodos combinam baixa capacitância de junção com baixa tensão de ativação enquanto exibem frequências de corte (intrínsecas) de > 100 GHz. Os circuitos retificadores construídos com esses diodos coplanares podem operar a ~47 GHz (extrínsecos), tornando-os os dispositivos eletrônicos de grande área mais rápidos demonstrados até o momento.

As redes móveis de quinta geração (5G) já são uma realidade comercial e a pesquisa em tecnologias de sexta geração (6G), operando em frequências acima de 95 GHz, está bem encaminhada1. Isso ampliará o uso de realidade aumentada e virtual em combinação com a plataforma emergente da Internet das Coisas (IoT)1. Tanto o 5G quanto o 6G demandam dispositivos de alta frequência, como diodos Schottky, transistores, antenas e interruptores, todos com custo distintamente baixo para permitir a implantação massiva projetada1,2,3. Os diodos Schottky são elementos críticos onipresentes na eletrônica de radiofrequência (RF), como circuitos retificadores, multiplicadores de frequência e misturadores2,4. As atuais tecnologias de diodo Schottky de última geração são baseadas em semicondutores de Si e III-V, baseados em métodos de fabricação estabelecidos e altamente sofisticados2. Infelizmente, eles vêm com grandes limitações tecnológicas, incluindo incompatibilidade com substratos flexíveis e produção em grandes áreas, produção limitada e processamento em alta temperatura. Como resultado, a adoção massiva de tecnologias de diodo de RF existentes em eletrônicos de grande área continua sendo um desafio.

Os diodos RF Schottky feitos de semicondutores de óxido metálico têm atraído cada vez mais atenção nos últimos anos devido à sua alta mobilidade de portadores de carga, materiais ecologicamente corretos e baratos, facilidade de processamento, conformidade mecânica e compatibilidade com substratos poliméricos de grande área5,6,7, 8. Os principais parâmetros que determinam a frequência operacional de um diodo Schottky são a capacitância da junção (Cj) e a resistência em série do dispositivo (Rs)2. Para alcançar a operação em GHz em diodos Schottky, tanto a capacitância ultrapequena (

A litografia de adesão (a-Lith) foi recentemente usada para aliviar algumas das limitações encontradas pelos diodos Schottky verticais convencionais7,9,10,11, permitindo o desenvolvimento de arquiteturas de junção coplanar com capacitância ultrabaixa e tempos de trânsito de portadora curtos10,11 . Uma ampla gama de outros dispositivos planares, incluindo memórias não voláteis12, fotodetectores13, transistores de película fina de porta auto-alinhada (SAG-TFTs) e diodos emissores de luz (LEDs)14, todos baseados em eletrodos nanogap planares, também foram demonstrados usando a-Lith. No a-Lith convencional, o ácido octadecil fosfônico (ODPA) é usado como monocamada automontada (SAM) para modificar a energia de superfície do primeiro eletrodo (M1) e reduzir a adesão do segundo eletrodo de metal subsequentemente processado (M2). Este último é então retirado (da interface M1-SAM/M2) com fita adesiva ou cola, deixando para trás os eletrodos M1 e M2 adjacentes separados por um nanogap. Essa etapa de remoção manual, no entanto, afeta o tamanho e a uniformidade do nanogap, levando a variações mensuráveis entre os dispositivos9,11, prejudicando assim a adoção dessa tecnologia em processos de fabricação relevantes para a indústria totalmente automatizados.

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>

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