#translated#semiconductor#survey
And a Quarter gets You Coffee(本名不明、2009年ごろ)
https://web.archive.org/web/20210504200229/https://www.andaquartergetsyoucoffee.com/wp/?page_id=130
https://www.andaquartergetsyoucoffee.com/wp/wp-content/uploads/2009/05/zinc-oxide-experiments-i.pdf
Episode 1の日本語訳
(図版は除く、翻訳はほぼDeepLによる)
2ヶ月ほど前、私は最終的に機能するDIY薄膜電界効果トランジスタ（FET）を作ることを目標に、酸化亜鉛ベースの薄膜の実験を始めた。本当にトランジスタと呼べるようなデバイスはまだ作っていないが、自家製の酸化亜鉛ベースの薄膜を使って電界効果を実証していると思われるデバイスをいくつか作った。これらのデバイスと、実際に機能する薄膜トランジスタとの違いは、種類ではなく程度の違いだと私は信じている。
これらの実験は、さまざまな情報源から得た情報に基づいている。Scientific American 1970年6月号の「アマチュア・サイエンティスト」欄には、Roger Bakerが製作した硫化カドミウム・ベースの装置が紹介されている。
B. Norris（オレゴン州立大学）の学位論文には、酸化亜鉛薄膜を製造するためのほとんどの情報が記載されている。 さらに、ウェブ上には他にも多くの論文があり、その多くが有用で興味深い詳細を提供している。
図1は酸化亜鉛薄膜デバイスの一例だ。このデバイスを作成するために使用されたプロセスは、7ページの「付録：液体誘電体デバイスの製造手順」と題されたセクションに文書化されている。
酸化亜鉛薄膜が不細工で不均一なのは、顕微鏡スライド上に前駆体溶液の塗布の簡易的な方法によるところが大きい。しかし、電界効果を実証するには十分である。
スライドを細かく切り刻むのではなく、複数のソース／ドレイン・コンタクトを同じスライド上に構築した。これは、酸化亜鉛膜の抵抗率が非常に高いため、少なくともこれまでに作られた限られたデバイスではうまくいった。左から数えて最初のペアは、短絡されているので役に立たない。2番目のペアは、接着剤ベースの誘電体で構成されたテスト・デバイスとして使用されており、図3が生成されたデータはこの特定のデバイスから得られたものである。
DIY液状ポリマー誘電デバイス
私はRoger Bakerが説明したような装置を作ろうと時間を費やした。彼の説明した装置からの最も大きな変更点は、硫化カドミウムの代わりに酸化亜鉛または酸化亜鉛スズを使用したことである。その他の元記事からの変更点は、ビニールセメントの代わりにHelping Hand Household Adhesiveやその他の液体ポリマーを使用したことと、インジウムのソースとドレインの接点の代わりにカーボンベースの導電性接着剤（Anders Products社製の「Wire Glue」）を使用したことである。導電性インクや接着剤であれば、フィルムに密着し、適度に低抵抗の接続を作ることができる限り、どのようなものでも機能すると思う。Helping Handの接着剤に関する情報は、容器に印刷されているものだけで、アセトン、メチルエチルケトン、フタル酸ジブチルが含まれています。
ベイカーが説明したデバイスをモデルにして、上記の部品を使用したデバイスを作ろうとした私の初期の試みは、すべて失敗に終わった。9ページの「テスト回路」セクションにあるテスト回路を使用しても、ゲート電圧を変化させてもデバイスのドレインに流れる電流（Id ）に変化が見られないか、もしくはIdの変化が電圧変化の逆数であった（つまり、ゲート電圧を上げるとIdは減少し、その逆は、少なくともデバイスのゲートリーク電流が大きい場合には、抵抗効果と容量効果によって完全に説明できる効果であった）。
ある時点で、接着剤のゲート誘電体が完全に乾く前にデバイスの実験を始め、接着剤が完全に硬化する前に、Idがゲート電圧と同じ方向に変化することを発見した（つまり、ゲート電圧が増加するとIdが増加し、その逆も同様）。これは純粋に受動的な抵抗効果や容量効果だけでは説明できず、電界効果の実証であると私は考えている。
図2は、私が製作したほとんどのデバイスの一般的な構造を示す概略断面図である。ゲートが誘電体の上にある明確な領域でないことを除けば、基本的にRoger Bakerが説明した設 計です。むしろ、テスト回路のゲート抵抗をデバイスに接続するために使用するワイヤーは、 単に誘電体に刺さっているだけです。デバイスが液体誘電体を使って作られている限り、これはそれなりにうまく機能し、ゲートがソースやドレイン、半導体層とショートする可能性を劇的に減らセル。私は、誘電体が液体またはゲル化した状態でなければ機能するトップゲート・タイプの設計を構築することができなかった。事実上、ポリマーはゲートと誘電体の両方の役割を果たしているようだ。ベイカー氏の論文を読んでも、彼のデバイスに同じ制限があるかどうかは判断できなかった。
図3（下）は、製作直後のデバイスの動作を示すグラフである。「Voltage at Gate Registor」と表示されたトレースは、経時的にゲートに印加される電圧を示すため、事後に手動で追加したもの である。そのため、Id トレースに対する変化のタイミングは、数秒程度しか正確でない。Id A”と表示されたトレースは、同じ時間のデバイスのドレインへの電流を示す。
図3のグラフの最大の特徴は、ゲート電圧を48ボルトに設定するとIdが増加し、48ボルトに設定するとIdが減少することである。これは電界効果と一致しており、純粋な受動部品を使ってモデル化できるデバイスでは説明できないと私は考えている。グラフの次に重要な特徴は、全体のIdが明らかに指数関数的に減少しているという事実である。これは接着剤の乾燥によるものだと推測される。
翌日、もう一度測定してみると、電界効果は完全に消えていた。図1のデバイスが機能するのは、高分子誘電体が液体であるからだと思います。液体誘電体は、ベル研究所のトランジスタ開発において非常に興味深い役割を果たした。液体誘電体は、液体内のイオン移動によって半導体の表面状態を圧倒できることが偶然発見されたのです。これによって、固体誘電体を使用した同等のデバイスと比較して、電界効果の強度が劇的に増大する。液体誘電体の主な欠点もイオンマイグレーションによるもので、これに依存するデバイスは実に、実に、遅い。
導電性接着剤のいいところは、乾燥したら簡単に剥がせることで、同じ基本デバイスを接着剤の量や配置を変えて再利用できる。これは図1のデバイスで何度か行ったが、酸化亜鉛層を完全にダメにしてしまった。あまりにも多くの場所に傷がついてしまうのだ。
導電性接着剤のもどかしさのひとつは、一般的に、接着剤を最初に塗布したときに導電性が高すぎて、電界効果を最初に示さないデバイスができることだ。また、接着剤の配置も重要である。接着剤をできるだけ露出した酸化亜鉛層にとどめ、ソースとドレインのコンタクトの間に適切に配置するよう注意するだけで、より優れたデバイスを作ることができた。図4（下）は、接着剤誘電体ベース・デバイスで私がこれまでに得た最高の結果を示している（ゲート電圧は48～48ボルトの間で変化させたので、写真には写っていない）。
液体ポリマー誘電体として機能することが分かっている他のポリマー材料には、ポリマークレイ（スカルピー）、液体スカルピー（デバイスは極めて不安定だが）、5分間エポキシなどがある。私が作った液状ポリマーベースのデバイスは、どれも2、3時間以上は稼働しなかった。
固体誘電体デバイス
私が製作した最初の、そして現在までのところ唯一の固体誘電体ベース・デバイスは、基板とゲート誘電体の両方に#0の顕微鏡スライド・カバー・スリップを使用したものだ。図5は、このデバイスの概略図である。
図6にソース側とドレイン側を示したこのデバイスは、液状ポリマー誘電体デバイスに使用した酸化亜鉛薄膜の作製と基本的に同じ手順に従って、酸化亜鉛スズ薄膜で作製した。唯一の例外は、前駆体溶液に0.05グラムの塩化スズ(II)と数滴の酢酸を加えたことと、2つのデバイスの構造の違いによって必要になった明らかな変更だけである。この前駆体溶液は混ぜた後も濁ったままで、スピンコーティングでも非常に粗い膜ができるため、私はこの前駆体溶液から見栄えの良い薄膜を作ることに成功していない。しかし、純粋な酸化亜鉛薄膜と比較すると、これらの薄膜はより透明で、可視光線に対する光伝導感度が強い。そのため、暗闇でテストする必要がある。とはいえ、この構成で純粋な酸化亜鉛膜を試したことがないので、このデバイスで純粋な酸化亜鉛よりも酸化亜鉛スズを使う利点があるかどうかはわからない。
図7（下）は、このデバイスが示す電界効果が極めて小さいことを示している。ゲート電圧の96ボルトの変化に対するIdの変化は約40nAである。再度、「ゲート抵抗の電圧」トレースを手動でグラフに追加した。このデバイスの感度は小さいが、#0カバー・スリップの厚さは約0.1mmで、薄膜トランジスタに通常期待される厚さの約1000倍である。他の多くの要因の中でも、Idは絶縁ソリディエレクトリックゲートFETの誘電体厚さに反比例する。残念なことに、カバー・スリップが10倍でも薄ければ、本質的に動作が不可能になるため、このデバイスの設計はほとんど行き詰まる。しかし、動作に液体誘電体を必要とせずに電界効果を示す自作デバイスを作ることが可能であることを実証するには十分であった。
図6のデバイスは約4週間前に作られ、それ以来比較的安定している。一般的な酸化亜鉛薄膜と同様、光、熱、温度、湿気、そしておそらく周囲の空気中の酸素濃度に敏感である。酸化亜鉛薄膜は持続的な光伝導性を示し、光によって誘起された伝導性が消え去るのに非常に長い時間がかかる。この特定のデバイスの場合、暗い容器に入れれば、数日のうちにサレイン抵抗は測定可能なほど低下する。このデバイスのもう一つの注目すべき点は、実効ゲート抵抗が極めて高いことである。ゲート抵抗を100キロ・オームから50メガ・オームに変更したときに液体ゲート・デバイスで観察されるIdの著しい変化とは異なり、このデバイスではゲート抵抗を同じように変更しても、Idの変化は検出できない。
次にやること
液体誘電体は動作が遅すぎて面白くないし、長期安定性の問題もある。私には2つの異なるアプローチが有望に見える。ひとつは、酸化しやすい導電性基板をゲートとして使い、酸化膜を誘電体 として使う方法だ。もうひとつは、非導電性基板上に薄膜を積み重ねる方法である。ゲートに 非常に導電性の薄膜、誘電体に絶縁性の薄膜、その上に半導体の薄膜、さらにその上にソース とドレインのコンタクトを重ねる。
特に、高濃度にドープされたシリコンやゲルマニウムに熱酸化層を形成する能力があれば、導電性基板が最も簡単なアプローチだろう。私が見つけたゲルマニウム・ウェーハはどれも法外に高価で、シリコン上に有用な酸化膜を作るのに必要な1000℃までシリコン・ウェーハを加熱するのに必要な装置も今のところ持っていない。もしあれば、次はそれを試してみたい。
私は、アルミニウム片と電解によって作られた酸化アルミニウムのバリア膜をそれぞれゲートと誘電体として用いてトランジスタを作ろうと何度か試みたことがある。残念ながら、どの試みも半導体層がアルミニウムと短絡して失敗している。失敗の理由として考えられるのは、アルミニウムの膨張係数が酸化アルミニウムの約4倍であることだ。不可能だと完全に確信しているわけではないが、今のところ私はこのアプローチを断念している。
私の現在の計画は、薄膜のスタック・アプローチを追求することだ。導電性の高いゲート膜がすでにある状態から始めることでプロセスを単純化するため、市販のフッ化スズ酸化物（FTO）コートガラスを使いたいと思っている。これで、動作するデバイスを作るために蒸着しなければならない薄膜は2つだけになる。そのためには、薄膜の品質、特に粗さとピンホールのなさを劇的に改善する必要があると思います。そうでなければ、ゲート層と半導体層の間でショートが発生することなく積層できるとは思えない。
付録：液体誘電体デバイスの製造手順
以下は、この文書で前述した液体誘電体ベースのデバイスを作るために使用した手順である 。これは、自家製の酸化亜鉛「薄膜」を使って電界効果を示すことができることを実証する ために行われたものであり、良い薄膜の作り方や適切な実験技術などを実証するためのもの ではありません。
酸化亜鉛スズ素子の作製手順は、素子の構造上必要な明らかな変更を加えただけで、基本的 には同じであった。前駆体溶液は、0.05グラムの塩化スズ(II)と数滴の酢酸を加える以外は、 酸化亜鉛デバイスのものと同じである。先に報告したように、これはあまり良い酸化亜鉛前駆体ではなく、少なくとも私はまだこれで見栄えの良い膜を作ることができない。
前駆体溶液の調製
この溶液は長時間は効果が持続しないようなので（つまり、1日ほど経つと、この溶液からできたコーティングは連続したフィルムにはならないようだ）、小ロットしか作らないことをお勧めする。
- 硝酸亜鉛1グラムがフラスコに計量された。
- 3mlの2プロパノールをフラスコに加えた。
- フラスコに栓をし、硝酸亜鉛がすべて溶けるまで撹拌した。
スライドの清掃
これは、スライドを本当にきれいにし、本当に濡れやすくする方法としてはあまり良くない。もっといい方法がある。
過酷な化学薬品を使用しない方法としては、シュウ酸を使用するステップの代わりに、CeO 粉末の水性懸濁液とペーパーラップを使用して、コーティングする面を手作業で研磨する方 法がある。ちなみに、スライドのクリーニングを始めたら、コーティングする面を素手で触 らないこと。
- スライドを石鹸と水で洗浄する。
- 数滴のシュウ酸溶液をスライドに垂らし、表面を拭く。
- スライドを純水で、次に2プロパノールですすぐ。
- スライドを扇風機で乾燥させる。
スライドに前駆体溶液を塗布する
スライド全体に溶液を行き渡らせるこの方法は、特に高品質のフィルムを得ようとする場合、 あまり効果的な方法ではない。より良い方法は、スピンコーターを使うことである。完全に機 能するスピンコーターは、可変速ブラシレス・コンピューター・ファンから作ることができる 。
- 硝酸亜鉛/プロパノール前駆体溶液を5滴スライドに滴下した。
- プラスチックピペット本体を用いて、スライド全体に溶液を行き渡らせた。
スライドを加熱する
私が見つけたどの論文でも、一般的な方法は、最初にもっと低い温度で溶媒を蒸発させてから、高い温度でフィルムを焼くというものだ。しかし、スライドが壊れず、特に高品質のフィルムを必要としないのであれば、この工程を省略しても致命的なことにはならない。
- スライドを、最高温度540℃になっているホットプレートの中央に、コーティングされた面を上にして置く。
- 30分後、スライドを慎重にホットプレートから外し、冷却する。
ソースとドレインの電気接点と導線を追加する
導電性接着剤に含まれる溶剤は酸化亜鉛薄膜を高導電性にするので、溶剤が完全に蒸発する前の測定は一般的に疑わしい。しかし、そうすることがデバイスに何らかの害を及ぼすこともないだろう。
- Wire Glueを使って、スライドの短い長さにわたって、数組の間隔の狭い平行コンタクトをペイントした。
- 最適なコンタクトのペア（つまり、非接触の間隔が最も小さいペア）を選び、短いワイヤーを造形用粘土で留めて、各ワイヤーの一端が選んだコンタクトの片方にかかるようにした。ワイヤーを接点に固定するために、さらにWire Glueを使用した。
- Wire Glueが乾くまで、スライドは数時間放置された。
フィルムと接点の動作確認
紫外線を照射してもデバイスの抵抗値が大きく変化しない場合、デバイスも電界効果を示さない可能性が高い。考えられる原因としては、前駆体溶液が古い、加熱が不十分（純粋な酸化亜鉛膜を作製していると仮定して、膜が白くならない場合、十分な高温に加熱されていないか、前駆体溶液のいずれかに汚染物質が含まれている）などがある。
- 抵抗の測定器を2つの接点に接続し、値を記録する（私のメーターによれば、実質無限大）。
- コイン電池で作動するUV懐中電灯の光を装置に当て、測定値が著しく低下したことを確認した（ただし、この文書に記載するほど長くは測定値を記録していない）。
誘電体、ゲートの追加とテスト
- テスト回路の電源が両方ともオフになっていることを確認。
- 試験回路の近くの平らな面にデバイスを置き、小さなテープでスライドを固定する。
- ソース線とドレイン線をテスト回路に接続。
- ゲートとして使用する細いワイヤーを、ソースとドレインのコンタクトの間に水平に置くが、実際にはソース、ドレイン、薄膜のいずれにも触れないようにした。この位置でワイヤーを固定するために、スライドの上にあるワイヤーを覆わないようにテープ片を使用した。
- ワイヤーゲート、ソース、ドレイン、およびソースとドレインの間に露出したフィルムが隠れるように、デバイスにHousehold Adheresiveを1滴垂らした。
- テスト回路の電源を入れ、夕食のために中断し、戻ってデータの記録を開始し、5分間隔でゲートに印加する電圧の極性をコントロールするスイッチを入れた。
テスト回路
図8は、デバイスのテストに使用した回路を示している。特に、常に乾燥過程にある（少なくとも全く機能しなくなるまで）液体誘電体を使用する場合、Idを経時的に自動的に記録できる装置を利用できれば、測定値の意味を理解することがはるかに容易になる。
私はRS232インターフェースを内蔵した古いラジオシャックの機器とQtDMMを使って値を記録している。このメーターは電流よりも電圧にやや敏感で、そのためメーターの設定は電圧を読み取り、データを後からアンペアに変換するようになっている。
ボルトからアンペアに変換 する際には、この構成でメーターの入力抵抗を調整することを忘れてはならない。
ゲート抵抗(RGATE)は、ショート時の最大電流を制限するために使用される。誘電体の実効抵抗の大きさをある程度把握しようとする場合に有用である。比較的小さな値(例えば100キロオーム)と、はるかに大きな値(例えば50メガオーム)の間で、デバイスの動作に観 察できるような変化がなく変更できる場合、誘電体の実効抵抗が、大きな抵抗の少なくとも 10倍であることを確信できる。 48ボルト電源に接続されている10キロΩの抵抗は、電流リミッターとして回路内に存在して いる。非常に小さな電流制限に設定できるベンチ電源を使っているので、030ボルト電源には必要ない。
Episode 2
固体誘電体の進歩
私は、フッ化スズ酸化物（FTO）でコーティングされたガラスの上に妥当と思われる酸化リン酸アルミニウム（AlPO）皮膜を生成する前駆体溶液を何とかこしらえた。2つの問題が発生したが、1つは小さなもので、もう1つは重大なものである。
1つ目の問題は、膜が厚すぎるとどこででも割れてしまうことである。これは、これまで使ってきた「スライド上に溶液を置き、手作業でスライド全体に広げる」手順ではなく、その場しのぎのスピンコーターを使うことで解決できるはずだ。2つ目の問題は、より対処が難しい。完全に焼き上げられる前に デバイスに付着した小さなホコリのひとつひとつが、周囲で膜を壊してしまうのだ。さらに 、ホコリ自体が導電性である可能性もある。この時点で、ある種の無塵作業空間が必要になるようだ。半導体膜上のホコリは、それ自体は大きな問題ではない。しかし、誘電体を介してショートすると、デバイスが動作不能になる。
AlPO前駆体溶液を作る手順は以下の通り。
水酸化アルミニウムの作成
- アルミニウムイソプロポキシド0.3gと蒸留水3mlを合わせる
- 攪拌しながら80°Cに加熱
- 1M硝酸を2滴（1ml当たり2426滴のピペットから）加える。
- 蓋をせずに加熱を続け、約1時間かき混ぜる。
- やや白濁した半透明のゲルができた.
- ヒーターから下ろし、室温まで冷ます。
酸化リン酸アルミニウム前駆体の製造
- 水酸化アルミニウムゲルに1mlの14％塩酸を加え、溶けるまで撹拌した。
- 85％リン酸を3滴（1ミリリットル当たり24滴のピペットから）加える。
- 溶液が透明になるまで攪拌
上記の手順で作られた前駆体溶液は、焼成後にAlPO薄膜を作ると思うが、埃のため、実際に機能することを実証できる薄膜はまだできていない。 しかし、実験を記録するという観点から、とりあえず手順を記録しておく。手順の最初の部分 は、Mohamed N. Rahaman著「Ceramic Processing and Sintering」の5.6.1節に記載されている情報に基づいている。
手順の後半は、Stephen T. Meyersらによる論文「Solution Processed Aluminum Oxide Phosphate Thin-Film Dielectrics」に基づいている。Stephen T. Meyersの学位論文「Aqueous Chemistries for Oxide Electronics」がオレゴン州立大学のScholars Archiveに掲載されている。この論文には多くの有益な情報が含まれ ている可能性が高いが（入手に費用はかからない）、この論文へのアクセスは2009年9月22 日まで制限されている。
水酸化アルミニウムがあれば、それをイソプロポキシドアルミニウムのモル当量に置き換えて、手順の最初のセクションを完全に省略することができる（塩酸に直接加えるだけでよい ）。その場合、もっと長い時間撹拌しなければならないかもしれない。ダストの問題に合理的に対処する方法を決め、最終的にどのようなものであれ実用的なバージョンを組み立てるまでは、液体誘電体をベースにしたデバイスを改良してみることにした 。幸いなことに、ある程度の成功を収めることができた。
液体誘電体デバイスの改良
エピソードIで文書化されたデバイスは、最良の場合のオン/オフ電流比が約8対1であった 。その後、測定された最良のデバイスは、オン/オフ電流比が60対1であった。さらに重要なことに、1.5Vのゲート・バイアスを中心に±1.5Vの信号で測定した場合、約3の小信号電圧利得も示した。これらのデバイスは現在も、そしてこれからも、極めて低速であ る。また、その特性は時間とともに変化する。しかし、次のセクションで説明するように、 非安定マルチバイブレーターを構成するには十分である。 さまざまな変更を加えてきたので、どれが本当に重要な変更で、どれが主に外観的な変更なのかを知るのは、多くの追加実験をしない限り難しい。
私が絶対に重要だと確信している変更は、新しい誘電体である。その他の変更点としては、純粋な酸化亜鉛薄膜の代わりに酸化亜鉛スズ薄膜を使用したこと、前駆体溶液をスライドの周りに広げるだけでなくスピン・コーティングを行ったこと、デバイスをより簡単に構成し、より安定させることを目的とした構成プロセスの変更などがある。厳密な手作業による製造プロセスによって生じるばらつき や、誘電体が常に変化する液体であるという事実のために、決定的な実験を設定するのは難 しい。液体誘電体の変化は、おそらく大気中の酸素、蒸発、ウィッキングと蒸発による誘電体の形状の変化、そして薄膜と誘電体の両方に対する電気分解の影響に起因すると考えられ る。
より優れた液状誘電体は、Devconの “2トン・クリア・エポキシ”の成分の一つである。このエポキシは、2つの異なる成分を含む単一のディスペンサーに入っている。1つは無色透明で、もう1つは透明でわずかに黄色です。良好な誘電体を作るのは、わずかに黄色い成分だ。 これが硬化成分だと思うのだが、どの成分がどの成分なのかはパッケージには記載されていないので、絶対的な確信はない。他のエポキシの硬化成分はまだ試したことがないが、透明なエポキシの硬化成分でも同じように機能すると思う。硬化剤は比較的抵抗値の高い誘電体を作り、調製されたエポキシや他の様々な接着剤とは異なり、何時間でも比較的安定している。 エポキシのMSDSによると、デブコンの硬化剤にはノニルフェノールとアミノエチルピペラジンが含まれている。アミノエチルピペラジンは腐食性があり、皮膚に触れたり吸入したりすると有害である。ノニルフェノールは、飲み込んだり、吸い込んだり、皮膚に接触すると有害です。
硬化剤のMSDSは http://devcon.com/prodfiles/pdfs/sku_msds_377.pdf 。
初期の液体誘電体を使ったいくつかの実験では、液体をソースから離しておくことが重要であることが示された。
ドレイン・コンタクトは、デバイスの小信号利得と大信号利得に大きな影響を与えた。しかし、非安定マルチバイブレーターを作った後に行った新しい液体誘電体を使ったいくつかの実験では、同じ効果は見られなかった。したがって、液体誘電体がソースおよび/ またはドレイン接点に触れないようにすることがどれほど重要なのかは不明である。
新しい誘電体の抵抗が高いことが、最新の実験で効果が現れなかった理由かもしれないが、現時点では単なる推測に過ぎない。新しい誘電体を使用したソースとドレインの接触がデバイスの利得に大きな影響を与えなかったという明白な結論以上の明確な結論を導き出すには、以前の実験との違いが多すぎる。この分野では、さらなる実験が必要である。 スズは酸化亜鉛のNドーパントとして機能するため、スズ酸化亜鉛は酸化亜鉛よりもはるかに導電性の薄膜を作る。私が使っている酸化亜鉛スズ前駆体溶液は、スピンコーティングとしても酸化亜鉛前駆体溶液よりうまくいきます。おそらく酸化亜鉛スズ前駆体の方が粘度が高いからでしょう。同じ酸化亜鉛スズ前駆体溶液を「スライドに溶液を載せて手で広げる」方法とスピンコーティングで試してみた。スピン・コーティングで製造したデバイスの方が、オン／オフ比と電圧利得が良い。しかし、ソース、ドレイン、ゲートの各成分を手作業で膜上に配置しているため、各デバイスの形状には大きなばらつきがある。
非安定マルチバイブレータ
デバイスが電圧利得を示すことをかなり決定的に実証するために、私はNyle Steiner氏のフレーム三極管実験からアイデアを拝借し、単一基板上に構築された2つの液体誘電体薄膜デバイスを使って非安定マルチバイブレーター回路を構築した。
図1は、自作の酸化亜鉛スズ薄膜能動素子を使った非安定マルチバイブレーターの回路図である。図2は、ブレッドボードに実装した回路全体（PCに接続したDMMを除く）と能動素子を示している。図3は、アクティブ・デバイスのラベル付きクローズアップです。ラベルのない4つの大きな黒い点は、ゲートの役割を果たすワイヤー・セグメントをスコッチ・テープの所定の位置に固定している導電性接着剤の滴で、半導体膜から絶縁されている。酸化亜鉛スズ薄膜フィルムはかなり透明なので、画像では識別できないが、スライド全体をかなり覆っている。スライドが割れたのは、スライドを外す前にホットプレートが少し冷めるのを待たなかったからだ。この画像は、液体誘電体を装置に加える前に撮影したものである。
非安定マルチバイブレータの前に作られた新しい誘電体を使用した個々のデバイスは、小信号電圧利得を示したものの、ゲート・バイアス電圧がゼロまたはゼロに近い場合には、利得を示しませんでした。この観察から、単純に20メガ・オームの抵抗（2つの10メガ・オームの抵抗を直列に使って実装）を31ボルトのメイン電源に接続するのではなく、最大利得領域の真ん中の電圧を使ってデバイスにバイアスをかけることを試みました。今にして思えば、これは必要なかったかもしれない。 回路は約4～6分の周期で約16時間発振した。一旦発振し始めたら、発振が止まるまで触るなどの改造はしなかった。
図4は、非安定マルチバイブレータの寿命の大部分にわたる動作を示している。グラフのデータが示すよりも1時間ほど長く動作し続けましたが、最後の1時間ほどはQtDMMがクラッシュしてデータが失われました。個々の振動を見るにはスケールが大きすぎますが、全体的な動作はよくわかります。信号の中心電圧のドリフトは、温度やデバイスの特性の経時変化によるものだと推測している。信号の振幅が減少し、グラフの右側付近で回復していることについては、説明がつかない。
酸化亜鉛スズの製造
以下の手順で、酸化亜鉛スズ前駆体溶液と、非安定マルチバイブレータ用のコーティング・スライドを作製した。特に優れた前駆体溶液だとは思わないが、先に使用した純粋な酸化亜鉛薄膜よりも優れた特性を持つデバイスを作る薄膜ができた。
混合前駆体溶液
この溶液は比較的早く（理想的には2、3時間以内に）使い切ること。
- 酸化亜鉛 1g
- 2プロパノール 3ml
- 完全に溶解するまで攪拌（溶液は無色透明）。
- 塩化スズ(II)を約0.02%添加
- 98％酢酸を10滴（1ml当たり2426滴のピペットから）加えた。
- 30分攪拌（溶液はわずかに白濁していた）
スライドをスピンコート
ブラシレスPCファンをスピンコーターとして使用する方法については、 http://www.chemistryblog.com/2007/01/13/pimpmyspincoater 。私が作ったものでは、ファンからブレードを取り外し、ファン全体をプラスチックの食品容器に入れ、両面テープで顕微鏡スライドを固定しました。両面テープがいつか必ず失敗するので、スライドが部屋中に飛び散らないよう、ファン全体をしっかりした容器に入れることを強くお勧めする。
- 顕微鏡スライドをスピンコーターにセット
- 酸化亜鉛スズ前駆体溶液を10滴スライドに垂らし、スライド全体に広げる。
- スピンコーターの上にカバーを置き、低めの設定で30秒間スイッチを入れた。
スライドを加熱
スライドを取り外す前にホットプレートを少し冷ましておけば、熱応力によってスライドが破損する可能性はかなり低くなる。それさえ覚えていれば。
- スライドをホットプレートに置く。
- ホットプレートを最高設定（540°C）にする。
- 30分待ち
- ホットプレートを止め、スライドを取り外す
将来的な改善の可能性
現時点では、ほとんどすべてが大幅に改善される可能性がある。
- 前駆体溶液は間違いなく研究が必要だ。もっと良い処方箋が発表されているはずだが 、私はいつも成分の1つが不足してしまう。もっと実験をすべての元素が間違いなく必要とされる、あるいは入手できる、より良い公式を見つける。また、亜鉛とスズの比率も、溶液の全体的な希釈と同様に、最適値を見つけるために作業する必要がある。最後に、インジウム、ガリウム、アルミニウム、ホウ素など、他にも試してみたいドーパントがたくさんあるし、それらの組み合わせもいろいろある。
- 私のスライド・クリーニング技術は、スピン・コーティング技術と同様、まだ改善が必要である。図7は、アスタブル・マルチバイブレーターに使用した直後に作成した数枚のコーティング・スライドのうちの1枚である。図8は、同じスライドを少し斜めにして、フィルムが作り出す反射干渉パターンが見えるようにしたものである。彩度が大幅に向上しているため、相対的な色がわかりやすくなっている。よくコーティングされたスライドの干渉パターンは、（見る角度の変化により）スライド全体でわずかに変化する単一色として見えるはずである。しかしこれらは、ピペットの側面でスライド全体に溶液を広げただけのものよりもはるかに優れている。スピンコーティングの速度を定量化することも、正しい方向への一歩となるだろう。
- 焼成温度と時間がフィルムの特性にどのような影響を与えるかについて、ある程度の理解を得る必要がある。しかし、これは次の項目に取り組むまでは難しい。
- すべて手作業で作られているため、比較するのは難しい。このように、デバイスの様々な寸法は大きく異なる。ソースコンタクトとドレインコンタクトをステンシルによって配置する実験を始めた。最初の試みはすべて、接着剤がステンシルの下に入り込んで失敗したが、ポストイット®ノートの接着剤で裏打ちれた部分でステンシルを作ると、接着剤がステンシルの下に入り込まないことを発見した。再現性の高い方法ができれば、異なるフィルムで作られたデバイスを有意義に比較できるようになるはずだ。また、導電性接着剤の接点が示す接触抵抗も、それ なりに正確に測定できるはずだ。
- 将来的には、半導体の薄膜をパターニングしてみたい。酸化亜鉛スズ薄膜を使ってアクティブ・デバイスと抵抗器の両方を作り、導電性接着剤を使ってそれらを接続することは可能なはずだ。コンデンサは、特に大きな値を必要とするため、より難しいだろう。酸化スズ薄膜とは異なり、主に酸化亜鉛薄膜はエッチングしやすいは ずだ。
- もっと良いデータ記録装置とソフトウェアが必要だ。QtDMMがクラッシュすると、デ ータをディスクにスプールしないので、収集したデータが失われてしまう。また、私が使っているDMMは、いくつかの特定の電圧範囲で「おかしく」なり、入力電圧が問題のある範囲に入ると、ゼロといくつかの小さな電圧の間で振動します。最後に、単一チャンネルしか記録できない。リニアテクノロジー社は、Arduinoを経由してコンピューターに接続できる、見た目がとてもきれいなA-Dコンバーターをいくつか製造している。D-Aコンバーターを追加すれば、デバイスの特性評価データ収集が完全に自動化され、スイッチの切り替えや可変抵抗器を回す時間が大幅に短縮される。