Veloce e in alto

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3260 (2022) Citare questo articolo

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La massiccia diffusione delle tecnologie di quinta generazione e dell’Internet delle cose richiede tecniche di fabbricazione precise e ad alto rendimento per la produzione di massa di elettronica a radiofrequenza. Utilizziamo un semiconduttore stampabile di ossido di indio-gallio-zinco in nanogap <10 nm autoallineati spontaneamente e ricottura con lampada flash per dimostrare la produzione rapida di diodi Schottky nanogap su substrati di dimensioni arbitrarie che operano a frequenze di 5 G. Questi diodi combinano una bassa capacità di giunzione con una bassa tensione di accensione pur presentando frequenze di taglio (intrinseche) >100 GHz. I circuiti raddrizzatori costruiti con questi diodi complanari possono funzionare a ~47 GHz (estrinseci), rendendoli i dispositivi elettronici di grande area più veloci finora dimostrati.

Le reti mobili di quinta generazione (5 G) sono ormai una realtà commerciale e la ricerca verso le tecnologie di sesta generazione (6 G), operanti a frequenze superiori a 95 GHz, è ben avviata1. Ciò estenderà l’uso della realtà aumentata e virtuale in combinazione con la piattaforma emergente dell’Internet delle cose (IoT)1. Sia il 5 G che il 6 G richiedono dispositivi ad alta frequenza, come diodi Schottky, transistor, antenne e interruttori, tutti a costi decisamente bassi per consentire la loro massiccia implementazione prevista1,2,3. I diodi Schottky sono elementi critici onnipresenti nell'elettronica a radiofrequenza (RF), come circuiti raddrizzatori, moltiplicatori di frequenza e mixer2,4. Le attuali tecnologie all'avanguardia dei diodi Schottky si basano su semiconduttori Si e III-V che si affidano a metodi di fabbricazione consolidati e altamente sofisticati2. Sfortunatamente, questi materiali presentano importanti limitazioni tecnologiche, tra cui l’incompatibilità con substrati flessibili e produzione su vasta area, produttività limitata e lavorazione ad alta temperatura. Di conseguenza, l’adozione massiccia delle tecnologie dei diodi RF esistenti nell’elettronica di grandi dimensioni rimane impegnativa.

I diodi Schottky RF realizzati con semiconduttori a base di ossido di metallo hanno attirato sempre più attenzione negli ultimi anni grazie alla loro elevata mobilità dei portatori di carica, ai materiali ecologici ed economici, alla facilità di lavorazione, alla conformità meccanica e alla compatibilità con substrati polimerici di ampia area5,6,7, 8. I parametri chiave che determinano in definitiva la frequenza operativa di un diodo Schottky sono la capacità di giunzione (Cj) e la resistenza in serie del dispositivo (Rs)2. Per ottenere il funzionamento a GHz nei diodi Schottky, sono quindi necessarie sia una capacità ultra piccola (

La litografia ad adesione (a-Lith) è stata recentemente utilizzata per alleviare alcune delle limitazioni incontrate dai diodi Schottky verticali convenzionali7,9,10,11, consentendo lo sviluppo di architetture di giunzione complanare con capacità ultrabassa e tempi di transito del portatore brevi10,11 . È stata inoltre dimostrata un'ampia gamma di altri dispositivi planari tra cui memorie non volatili12, fotorilevatori13, transistor a film sottile con gate autoallineato (SAG-TFT) e diodi emettitori di luce (LED)14, tutti basati su elettrodi planari nanogap usando a-Lith. Nell'a-Lith convenzionale, l'acido ottadecilfosfonico (ODPA) viene utilizzato come monostrato autoassemblato (SAM) per modificare l'energia superficiale del primo elettrodo (M1) e ridurre l'adesione del secondo elettrodo metallico successivamente lavorato (M2). Quest'ultimo viene quindi rimosso (dall'interfaccia M1-SAM/M2) con nastro adesivo o colla, lasciando dietro di sé gli elettrodi M1 e M2 adiacenti separati da un nanogap. Questa fase di rimozione manuale, tuttavia, influisce sulle dimensioni e sull'uniformità del nanogap, portando a variazioni misurabili tra i dispositivi9,11, compromettendo così l'adozione di questa tecnologia in processi di fabbricazione rilevanti per il settore completamente automatizzati.

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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