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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3260(2022) 이 기사 인용

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5세대 및 사물 인터넷 기술의 대규모 배포에는 무선 주파수 전자 장치의 대량 생산을 위한 정확하고 처리량이 많은 제조 기술이 필요합니다. 우리는 5G 주파수에서 작동하는 임의 크기의 기판 위에 나노갭 쇼트키 다이오드를 신속하게 제조하기 위해 자발적으로 형성된 10 nm 미만의 자가 정렬 나노갭과 플래시 램프 어닐링에 인쇄 가능한 인듐-갈륨-아연 산화물 반도체를 사용합니다. 이 다이오드는 낮은 접합 정전 용량과 낮은 턴온 전압을 결합하는 동시에 >100GHz의 차단 주파수(고유)를 나타냅니다. 이러한 동일 평면 다이오드로 구성된 정류기 회로는 ~47GHz(외부)에서 작동할 수 있어 지금까지 시연된 가장 빠른 대면적 전자 장치입니다.

5세대(5G) 모바일 네트워크는 이제 상업적 현실이 되었으며, 95GHz 이상의 주파수에서 작동하는 6세대(6G) 기술에 대한 연구가 잘 진행 중입니다1. 이는 신흥 사물 인터넷(IoT) 플랫폼1과 결합하여 증강 현실과 가상 현실의 사용을 확장할 것입니다. 5G와 6G 모두 쇼트키 다이오드, 트랜지스터, 안테나, 스위치와 같은 고주파 장치를 요구하며, 이들 모두는 예상되는 대규모 배포를 가능하게 하기 위해 매우 저렴한 비용으로 제공됩니다1,2,3. 쇼트키 다이오드는 정류기 회로, 주파수 증배기, 믹서와 같은 무선 주파수(RF) 전자 장치에 널리 사용되는 중요한 요소입니다2,4. 현재의 최첨단 쇼트키 다이오드 기술은 확립되고 매우 정교한 제조 방법을 사용하는 Si 및 III-V 반도체를 기반으로 합니다2. 불행하게도 이러한 기술에는 유연한 기판과의 비호환성과 대면적 생산, 제한된 처리량 및 고온 처리 등 주요 기술적 한계가 있습니다. 결과적으로, 대면적 전자 장치에 기존 RF 다이오드 기술을 대규모로 채택하는 것은 여전히 어려운 일입니다.

금속 산화물 반도체로 만들어진 RF 쇼트키 다이오드는 높은 전하 캐리어 이동도, 친환경적이고 저렴한 재료, 가공 용이성, 기계적 적합성 및 대면적 폴리머 기판과의 호환성으로 인해 최근 몇 년 동안 주목을 받고 있습니다5,6,7, 8. 쇼트키 다이오드의 작동 주파수를 궁극적으로 결정하는 핵심 매개변수는 접합 정전 용량(Cj)과 장치 직렬 저항(Rs)2입니다. 따라서 쇼트키 다이오드에서 GHz 작동을 달성하려면 초소형 정전 용량(

접착 리소그래피(a-Lith)는 최근 초저 정전 용량 및 짧은 캐리어 전송 시간10,11을 갖춘 동일 평면 접합 아키텍처의 개발을 가능하게 함으로써 기존 수직 쇼트키 다이오드7,9,10,11에서 직면하는 일부 제한 사항을 완화하는 데 사용되었습니다. . 비휘발성 메모리12, 광검출기13, 자체 정렬 게이트 박막 트랜지스터(SAG-TFT) 및 발광 다이오드(LED)14를 포함한 다양한 다른 평면 장치도 모두 평면 나노갭 전극에 의존하는 것으로 시연되었습니다. a-Lith를 사용합니다. 기존 a-Lith에서는 옥타데실포스폰산(ODPA)을 자기조립단일층(SAM)으로 사용하여 제1전극(M1)의 표면에너지를 변형시키고 후속 가공되는 제2금속전극(M2)의 접착력을 감소시켰다. 그런 다음 후자는 접착 테이프나 접착제를 사용하여 (M1-SAM/M2 인터페이스에서) 벗겨지고 나노갭으로 분리된 인접한 M1 및 M2 전극이 남습니다. 그러나 이 수동 필오프 단계는 나노갭 크기와 균일성에 영향을 미쳐 장치 간의 측정 가능한 변화를 초래하여 완전 자동화된 산업 관련 제조 공정에서 이 기술의 채택을 저해합니다.

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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