Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

ייצור לתקשר ohmic בטכניקה ממוקד-אלומת יונים וחשמל אפיון לשכבת מבני ננו מוליך למחצה

Published: December 5, 2015 doi: 10.3791/53200
Automatic Translation
1, 2, 2, 2
1Graduate Institute of Applied Science and Technology, National Taiwan University of Science and Technology, 2Department of Electronic Engineering, National Taiwan University of Science and Technology

Abstract

מוליכים למחצה שכבה עם מבני מעובד בקלות דו ממדיים (2D) תערוכה מעברים עקיפים לישיר bandgap וביצועי הטרנזיסטור מעולים, שמציעים כיוון חדש לפיתוח Ultrathin הדור הבא והתקנים פוטוניים ואלקטרוניקה גמישים. יעילות קוונטית הארה משופרת נצפתה באופן נרחב בגבישים 2D אטומי הדקים אלה. עם זאת, השפעות ממד מעבר עוביי כליאת קוונטים או אפילו בקנה מידת מיקרומטר לא צפויות ולא רק לעתים נדירות נצפו. במחקר זה, diselenide מוליבדן (Mose 2) שכבת גבישים עם מגוון עובי של 6-2,700 ננומטר היו מפוברק כשניים או ארבעת מכשירי מסוף. היווצרות קשר ohmic הושגה בהצלחה בשיטה בתצהיר אלומה הממוקד-יון (FIB) באמצעות פלטינה (Pt) כמתכת ליצירת קשר. גבישי שכבה עם עוביים שונים הוכנו באמצעות קילוף מכאני פשוט באמצעות קלטת חיתוך. measuremen העקומה נוכחי מתחTS בוצע כדי לקבוע את ערך המוליכות של nanocrystals השכבה. בנוסף, במיקרוסקופ אלקטרונים שידור ברזולוציה גבוהה, diffractometry נבחר-אזור האלקטרון, וספקטרוסקופיה רנטגן אנרגיה נפיצה שמשו לאפיין את הממשק של מגע מתכת-המוליכים למחצה של Mose 2 מכשירים-מפוברק FIB. לאחר החלת הגישות, מוליכות החשמלית המשמעותית עובי תלוי במגוון רחב עובי עבור המוליכים למחצה -layer Mose 2 נצפו. המוליכות עלו ב מעל שני סדרי הגודל מ -4.6 ל -1,500 Ω - 1 סנטימטר - 1, עם ירידה בעובי מ2,700 עד 6 ננומטר. בנוסף, המוליכות בטמפרטורה תלויה עולות כי 2 רבים-שכבתי Mose הדק הציג התנהגות מוליכים למחצה חלשה במידה ניכרת עם אנרגיות הפעלה של 3.5-8.5 מופתעות נוכח, שהם קטנים במידה ניכרת מאלה (36-38 מופתע נוכח) של כמויות גדולות. Probaמאפייני ble משטח דומיננטי תחבורה ואת הנוכחות של ריכוז אלקטרונים משטח גבוה בMose 2 מוצעים. ניתן להשיג תוצאות דומות לחומרים מוליכים למחצה שכבה אחרים כגון MOS 2 וWS 2.

Introduction

dichalcogenides מעבר המתכת (TMDS), כגון MOS 2, Mose 2, WS 2, וWSE 2, יש לי מבנה מעניין דו-ממדי (2D) שכבה ותכונות מוליכים למחצה 1-3. המדענים גילו לאחרונה כי מבנה monolayer של MOS 2 מראה את יעילות פולטות אור משופר באופן משמעותי בגלל השפעת כליאת הקוונטים. הממצא של החומר מוליך למחצה הישיר bandgap החדש משך תשומת לב משמעותית 4-7. בנוסף, מבנה השכבה הפשיט בקלות של TMDS הוא פלטפורמה מצוינת ללימוד התכונות הבסיסיות של חומרי 2D. שלא כמו גרפן המתכתי ללא bandgap, יש לי TMDS מאפיינים מוליכים למחצה טבועים ויש לי bandgap בטווח של 1-2 eV 1,3,8. מבני 2D של התרכובות משולשת של 9 TMDS ואת האפשרות של שילוב של תרכובות אלה עם גרפן לספק מול חסר תקדיםortunity לפתח מכשירים אלקטרוניים Ultrathin וגמישים.

שלא כמו גרפן, ערכי ניידות אלקטרונים בטמפרטורת חדר של 2D TMDS הם בעצמה בינונית (1-200 סנטימטר 2 V - 1 שניות - 1 לMOS 10-17 פבואר; כ -50 סנטימטרים 2 V - 1 שניות - 1 לMose 2 18 ). ערכי הניידות האופטימלי של גרפן דווחו להיות גבוה יותר מ -10,000 סנטימטר 2 V - 1 שניות -. 1 19-21 עם זאת, monolayers TMD מוליכים למחצה להפגין ביצועי מכשיר מצוינים. לדוגמא, monolayers MOS 2 וMose 2 או תערוכת טרנזיסטורים אפקט שדה multilayer מאוד גבוה / כיבוי יחסים, עד 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. לכן, חשוב להבין את המאפיינים חשמליים הבסיסיים של TMDS ו2Dחומרים בתפזורת IR.

עם זאת, מחקרים של התכונות חשמליות של חומרי השכבה כבר הקשו באופן חלקי בגלל הקושי ביצירת קשר ohmic טוב על גבישי השכבה. בתצהיר שלוש גישות, בתצהיר מסכת צל (SMD) 23, ליתוגרפיה קרן אלקטרונים (EBL) 24,25, והתמקדו-אלומת יונים (FIB), 26,27 שימש ליצירת מגעים חשמליים בננו. בגלל SMD בדרך כלל כרוך בשימוש ברשת נחושת כמסכה, המרווח בין שתי אלקטרודות מגע הוא בעיקר גדול יותר מ -10 מיקרומטר. שלא כמו EBL ותצהיר FIB, בתצהיר מתכת של מערכי האלקטרודה על מצע מתבצע ללא מיקוד או בחירת ננו עניין בשיטת SMD. לא יכולה גישה זו מבטיחה כי דפוסי המתכת מופקדים בצורה נכונה על ננו פרט כאלקטרודות. התוצאה של שיטת SMD יש אלמנט של מזל. השיטות בתצהיר EBL וFIB משמשות במיקרוסקופ אלקטרונים סורק מערכת (SEM); ננו ניתן לצפות ישירות ונבחר לתצהיר אלקטרודה. בנוסף, EBL יכול לשמש בקלות לפברק אלקטרודות מתכת עם רוחב קו ואלקטרודה קשר מרווח קטן יותר מ -100 ננומטר. עם זאת, השייר להתנגד על פני השטח nanomaterial עזב במהלך יתוגרפיה תוצאות באופן בלתי נמנע במבנה של שכבת בידוד בין האלקטרודה המתכת וnanomaterial. לפיכך, EBL מוביל להתנגדות מגע גבוהה.

היתרון העיקרי של ייצור אלקטרודה באמצעות תצהיר FIB הוא שזה מוביל להתנגדות מגע נמוכה. בגלל בתצהיר מתכת מתבצע על ידי הפירוק של מבשר אורגן-מתכתי באמצעות אלומת יונים באזור המוגדר, בתצהיר מתכת והפגזת יון מתרחשים בו זמנית. זה יכול להרוס את ממשק מתכת המוליכים למחצה ולמנוע היווצרות של קשר שוטקי. הפגזת יון יכולה גם לחסל מזהמי משטח כגון hydrocarBons ותחמוצות ילידים, אשר מקטין התנגדות מגע. קשר ייצור ohmic באמצעות תצהיר FIB הודגם עבור ננו שונה 27-29. בנוסף, ההליך כולו בדיה בגישת תצהיר FIB הוא פשוט יותר מזה בEBL.

כמוליכים למחצה שכבה בדרך כלל להראות הולכה חשמלית איזוטרופי מאוד, המוליכות לכיוון שכבה לשכבה היא בכמה סדרי גודל נמוכים מזה בכיוון במטוס 30,31. מאפיין זה מגביר את הקושי של בודה קשר ohmic וקביעת מוליכות חשמלית. לכן, במחקר זה, בתצהיר FIB שימש ללימוד התכונות חשמליות של מוליכים למחצה ננו שכבה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. אפיון מבני של Mose 2 גבישי Layer (ראה שלב 1 באיור 1)

  1. XRD מדידת נוהל
    1. הר קריסטל Mose 2 שכבה (עם טווח הגודל של 5 X 5 X 0.1-10 x 10 x 0.5 מ"מ 3) או אבקת גביש (שהיה מעורב עם אבקת קוורץ וקלסר ונמרח על זכוכית השקופית) על בעל.
    2. לחץ על בעל על ידי זכוכית שקופית כדי להבטיח מקביל משטח קריסטל שכבת פני השטח בעל.
    3. טען את בעל המדגם לdiffractometer.
    4. סגור את הדלתות של diffractometer.
    5. לכייל קו קרן בהתאם להוראות יצרן.
    6. פרמטרים מדידת קלט כגון 2 טווח סריקה (° 10-80), התוספת (0.004 מעלות), ולהתעכב הזמן (0.1 שניות).
    7. הפעל את תכנית DIFFRAC.Measurement המרכז במחשב המחובר לdiffractometer ולאחר מכן לשמור את הנתונים ואת שם קובץ נתונים לפי פרוטו של היצרןcol.
    8. לנתח את דפוס XRD ידי זיהוי העמדות של הפסגות העקיפה באמצעות התוכנה ולאחר מכן להשוות עם נתונים סטנדרטיים מבסיס נתוני כרטיס JCPDS כדי לאשר את האיכות מחוץ למטוס התמצאות וחד-גבישים היחידה של גבישי Mose 2 שכבת 32,33 .
  2. מיקרו-ראמאן מדידת נוהל
    1. בצע את כיול ציוד ראמאן באמצעות פרוסות סיליקון כמדגם הסטנדרטי. המדידה של פרוסות סיליקון היא זהה להליך המתואר להלן לגביש שכבה המעוניין Mose 2.
    2. הר קריסטל Mose 2 שכבה על זכוכית השקופית.
    3. טען את זכוכית השקופית על בעל מיקרוסקופ אופטי ולמקד את פני השטח המדגם עם מקור אור לבן.
    4. לעבור את מקור האור מאור לבן לקרן לייזר (אורך גל ב 514 ננומטר).
    5. פרמטרים מדידת קלט כגון טווח סריקת wavenumber (150-500 -1 סנטימטר), integrזמן ני (10 שניות), ואת מספר הפעמים סריקה (10-30 פעמים).
    6. הפעל את התכנית במחשב המחובר לספקטרומטר ראמאן ולאחר מכן לשמור את הנתונים ואת שם קובץ הנתונים על פי הפרוטוקול של היצרן.
    7. לנתח את ספקטרום ראמאן ידי זיהוי רוחב השיא והעמדות באמצעות התוכנה שלהם ולאחר מכן להשוות עם נתונים סטנדרטיים מאזכור כדי לאשר את סוג המבנה הגבישי ואיכות של גבישי Mose 2 שכבת 34,35.

2. ייצור של Mose שכבת 2 התקני ננו

  1. קילוף מכאני של גבישי Layer
    1. פינצטה נקייה עם אצטון ואלכוהול.
    2. בחר את גבישי שכבת Mose 2 (4 עד 8 ​​יח ') עם משטח מבריק (כלומר פנים גביש כמו ראי) וגודל שטח גדול יותר מ -0.5 x 0.5 מ"מ 2 עם פינצטה לשים אותם בקלטת החיתוך עם גודל שטח של 20 x 60 מ"מ 2.
    3. מקפלים את הקלטת במחצית לקלף שכבת הקריסטל וחזור על הפעולה כעשרים פעמים. בדרך כלל יכולים להיות חשוף גבישי שכבה לגבישי מיקרומטר בגודל רבים ברוחב (ראה שלב 2 באיור 1).
    4. טען את קלטת חיתוך עם אבקת ננו השכבה לתוך תא SEM להתבונן הגדלים ומורפולוגיות של microcrystal השכבה הבאים הפשיט Mose 2. אם הפצות הרוחב של ננו השכבה נמצאות ב1-20 מיקרומטר, אבקת ננו יכולה לענות על הקריטריונים לייצור המכשיר.
  2. פיזור של nanocrystals השכבה על תבנית ההתקן
    1. מניחים את קלטת חיתוך עם אבקת ננו השכבה הפוכה על תבנית המכשיר. התבנית היא SiO 2 (300 ננומטר) מצע -coated סיליקון עם שש עשרה Ti דוגמת מראש (30 ננומטר) / Au (90 ננומטר) אלקטרודות על פני השטח SiO 2 (ראה שלב 4 באיור 1). גודל השטח של התבנית הוא 5 X 5 מ"מ
    2. הקש קלטת החיתוך קל לעשות קצת nanocrystals (בערך 10 עד 100 חלקים) נופלים על התבנית.
    3. בדוק את צפיפות המספר ומצב פיזור של ננו בתבנית על ידי מיקרוסקופ אופטי או לפעמים על ידי SEM אם nanocrystals מפוזר ניתן לא נצפה על ידי מיקרוסקופ אופטי. בדרך כלל 2 עד 5 חתיכות של nanocrystals (גודל שטח גדול יותר מ 2 x 2 מיקרומטר 2) מפוזרות בכיכר המרכזית (בשטח של 80 x 80 מיקרומטר 2) לתבנית ללא חפיפה לזה הוא המצב טוב יותר לעיבוד FIB הבא .
  3. ייצור אלקטרודה ידי FIB
    1. הר תבניות על בעל FIB באמצעות קלטת רדיד נחושת ביצוע. בדרך כלל, באזור של ביצוע קלטת של 3 x 2.4 סנטימטר 2 נדרש להרכבה 6-8 תבניות.
    2. טען את בעל לחדר FIB.
    3. לפנות את החדר במידת הוואקום עד 10 -5 mbar על ידי לחיצה על הכפתור"לִשְׁאוֹב".
    4. הגדר את נוכחית אלומת אלקטרונים (41 הרשות הפלסטינית) ומתח ההאצה (10 קילו וולט) למצב SEM.
    5. הגדר את אלומת היונים הנוכחי (0.1 NA) ומתח ההאצה (30 קילו וולט) למצב FIB.
    6. לחמם את מערכת אלומת יונים וגז-הזרקה-מערכת (GIS) על ידי לחיצה על "הקרן על" כפתור והכפתור "קר" בבלוק "הזרקת גז", בהתאמה.
    7. הפעל את אלומת האלקטרונים על ידי לחיצה על הכפתור "Beam ב" ולמקד את התמונה בהגדלה נמוכה של 100X.
    8. הגדר את מרחק העבודה Z-צירי (WD) בשעה 10 במ"מ למצב SEM.
    9. הגדר את ההגדלה ב5,000X ולהתמקד.
    10. הגדר את זווית ההטיה של בעל עד 52 מעלות על ידי לחיצה על הכפתור "ניווט" וקלט "52" זווית הטיה.
    11. בחר ננו Mose 2 שכבה בעובי מסוים (שנע בין 5 ל -3,000 ננומטר) ומלבני וצורה מרובעת לFabrica אלקטרודהtion.
    12. קח את תמונות SEM בהגדלה שונה (מ1,000X ל10,000X) של חומר טהור הממוקד לפני ייצור אלקטרודה על ידי לחיצה על הכפתור "צילום".
    13. לעבור לFIB מצב ולקחת תמונת FIB ידי מצב התמונה כדי לצמצם את זמן החשיפה של החומר הממוקד תחת הפגזת אלומת יונים.
    14. הגדר את האזור בתצהיר אלקטרודה, בחר את המצב "בתצהיר Pt", וקלט העובי (.2-1.0 מיקרומטר) ערך של האלקטרודה Pt שהופקדה.
    15. להציג את הנימים של GIS לתוך התא על ידי לחיצה על התיבה "DEP Pt" בבלוק "הזרקת גז".
    16. קח תמונה על ידי מצב התמונה שוב ולשנות את המיקום של אלקטרודות אם התבנית המוגדרת במקור משמרות מעט.
    17. הפעל את תצהיר FIB על ידי לחיצה על הכפתור "התחל דפוסים".
    18. לאחר בתצהיר, לצייר הנימים של GIS בחזרה על ידי לבטל את לחיצת התיבה "ד PtEP "ב" בלוק הזרקת גז".
    19. עבור למצב SEM ולבדוק את התוצאה של אלקטרודות Pt שהופקדו על ננו השכבה.
    20. קח את תמונות SEM בהגדלה שונה של המכשירים סיימו עם שתיים או ארבע אלקטרודות (ראה שלב 3 באיור 1).
    21. הגדר את זווית ההטיה של שיבה לבעל 0 מעלות על ידי לחיצה על הכפתור "ניווט" וקלט זווית ההטיה "0".
    22. קח את תמונות SEM-נצפה העליונים בהגדלה שונה להערכות של רוחב החומר ובין-מרחק האלקטרודה על ידי לחיצה על הכפתור "צילום".
    23. כבה את מערכות קרן קרן אלקטרונים ויונים ולהתקרר מערכת GIS על ידי לחיצה על הכפתור "Beam כבוי" ועל הכפתור "החם" בבלוק "הזרקת גז", בהתאמה.
    24. Vent התא על ידי החדרת גז חנקן על ידי לחיצה על הכפתורים "Vent" ולאחר מכן לקחת את בעלמתוך החדר. זה בדרך כלל לוקח 5 עד 10 דקות כדי לסיים את תהליך האוורור.
    25. סגור את דלת התא ולפנות את החדר.

3. אפיון של Mose שכבת 2 התקני ננו

  1. מדידת עובי השכבה nanocrystals ידי AFM
    1. התקן את שלוחה AFM לבעל הבדיקה.
    2. הפעל תכנית AFM ולבחור במצב "ScanAsyst".
    3. טען את מחזיק בדיקה ולחבר אותו עם ראש דיודת הלייזר של תחנת AFM.
    4. לבצע כיול כדי ליישר את עמדת קרן לייזר אירוע והשלוחה פי הפרוטוקול של היצרן.
    5. הר המדגם (שבב התבנית עם התקני ננו-השכבה מפוברקת FIB) על ידי בעל מדגם קלטת רדיד Cu.
    6. טען את בעל מדגם לתחנת AFM.
    7. הזז את בעל המדגם לתפקיד כ מתחת לקרן הלייזר או cantilev AFMאה.
    8. מנמיכים את שלוחה AFM למיקום המוקד על ידי התמקדות תמונת מיקרוסקופ האופטית של ננו השכבה.
    9. פרמטרים סריקת קלט כגון אזור הסריקה (6 x 6-30 x 30 מיקרומטר 2), התדירות (0.5-1.5 הרץ), והרזולוציה (256-512 קווים).
    10. הפעל את התכנית ולשמור את הנתונים על פי הפרוטוקול של היצרן.
    11. להעלות את שלוחה AFM ולקחת את בעל המדגם החוצה.
    12. טען את המדגם השני ולחזור על תהליך המדידה שתואר לעיל, אם צורך.
    13. לאמוד את העובי של השכבה nanocrystals על ידי ניתוח פרופיל התמונה וגובה AFM באמצעות התוכנה "ניתוח NanoScope". בחר פרופיל גובה לרוחב מתמונת AFM ולקבוע את ערך העובי הממוצע באזור לפחוס של הפרופיל. (ראה איור 2 ו2E)
  2. מדידה נוכחית לעומת מתח (IV) של nanocrystals השכבה
    1. הַרהמדגם (שבב התבנית עם התקני ננו-השכבה מפוברקת FIB) על המצע נציץ על ידי קלטת רדיד Cu.
    2. בונד חוט האמייל או חוטי Cu על האלקטרודות של השבב על ידי דבק Ag. (ראה שלב 4 באיור 1).
    3. טען את המדגם הושלם בתא תחנת בדיקה ולתקן את זה על ידי בעל מדגם קלטת רדיד Cu. תחנת הבדיקה קריוגני הייתה ממוקמת בסביבה החשוכה. (ראה שלב 5 באיור 1).
    4. הלחמה חוטי החשמל של המדגם ואלקטרודות המתכת של בדיקות אחת לאחת.
    5. מכסה את ראש התא ולפנות את החדר עד 10 -4 mbar. להתקרר מדגם לK 77 על ידי החדרת חנקן נוזלי לתחנת הבדיקה. הגדר את טווח הטמפרטורה (בדרך כלל 80-320 K), מרווח, ולהתעכב זמן לבקרת הטמפרטורה. (נחוץ רק למדידת טמפרטורה תלויה).
    6. הגדר את הטווח הגורף המתח להחיל (בדרך כלל מ -1 עד 1 V), inte המתחrval (0.01 V), ונוכחי המוגבל המקסימלי (10 או 100 מיקרו-אמפר) באלקטרומטר רב תכליתי אולטרא-עכבה למדידת IV שני מסוף. למדידה ארבעה-מסוף, להגדיר את הטווח הנוכחי מיושם גורף (בדרך כלל מ-100 עד 100 מיקרו-אמפר) ומרווח הנוכחי (1 מיקרו-אמפר).
    7. הפעל את התכנית ולשמור את הנתונים רביעי בטמפרטורת חדר או בטמפרטורות שונות.
    8. פתח את מכסה התא במידת צורך ולקחת המדגם מתוך החדר.
    9. טען את המדגם השני, אם הצורך לחזור על התהליך שתואר לעיל.
    10. לנתח את עקומת IV על ידי התוויית נמדד הנוכחי לעומת נתוני מתח מיושמים באמצעות התוכנה. להתאים את עקומת IV על ידי בחירת פונקצית התאמה לינארית. בדוק את הליניאריות של עקומת IV ולקבל את ערך המדרון (ערך מוליכות כלומר). (ראה שלב 6 באיור 1).
    11. חזור על שלב 3.2.10 למ 'עקומות IVeasured בטמפרטורות שונות, אם צורך.
    12. לחשב את ערך מוליכות (σ) לפי המשוואה σ = G (t / TW) על ידי אימוץ הפרמטרים מתקבלים על ידי IV, SEM, ומדידות AFM כולל מוליכות, עובי (t), רוחב (W) (G) ואורך ( יב) של ננו השכבה.
    13. עלילה העקומות של ערכי מוליכות ומוליכות לעומת עובי של nanocrystals שכבה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הערכים הנחושים של המוליכות חשמליות (G) ומוליכות (σ) של ננו שכבה עם עוביים שונים תלויים מאוד באיכות של מגעים החשמליים. קשר ohmic של Mose שני מסוף FIB-מפוברק תצהיר 2 מכשירים מתאפיינים במדידה הנוכחי המתח (אני - V) עקומה. אני טמפרטורת חדר - עקומות V עבור מכשירי nanoflake Mose 2 שני-מסוף עם עוביים שונים מוצגות באיור 2 א. אני - עקומות V מעקב קשר לינארי. זה מאשר את קשר מצב ohmic של Mose 2 מכשירים.

. מכשירים חלקיים עם ארבע אלקטרודות היו מפוברקים כדי לשלול נוסף את ההשפעה הפוטנציאלית של התנגדות מגע איור 2b ממחיש הטיפוסי אני - עקומות V נמדד על ידי שני eleשיטות ctrode וארבע-אלקטרודה בטמפרטורת חדר למשך אותה nanoflake בעובי 33 ננומטר ב. ערכי σ שמחושבים למדידות של שתי הבדיקה וארבע חללית נמצאים ב117 ו 118 Ω - 1 סנטימטר - 1, בהתאמה. בגלל ערכי σ מחושבים באמצעות מדידות שתי-בדיקה וארבע-בדיקה למכשירים זהים היו דומים מאוד, ההשפעה של התנגדות מגע על ערכי G וσ הנחושים במחקר זה הייתה זניחה. ​​2c הדמויות ו2D להמחיש את פליטת שדה הנציג תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים (FESEM) של 2 מכשירי Mose שני מסוף וארבעה-מסוף, בהתאמה. עוביים של Mose 2 nanoflakes על המכשירים נאמדו באמצעות מיקרוסקופ כוח האטומי מדידות (AFM); מדידת מדגם מוצגת ב2E דמויות ו2F.

היה ממשק מתכת המוליכים למחצה של המגע החשמלי בMose 2 המכשירים שנבדק נוסף באמצעות מיקרוסקופ ברזולוציה גבוהה אלקטרונים הילוכים (HRTEM), diffractometry אלקטרון נבחר-אזור (סעד), ואנרגיה נפיצה ספקטרוסקופיה רנטגן (EDX). איור 3 א מציג את תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים שידור חתך (TEM) של ממשק Pt / Mose 2. התמונה מראה כי שכבת סגסוגת (25-30 ננומטר) הוקמה בין Pt וMose 2 בגלל הפגזת אלומת יונים. תמונות HRTEM של ממשק סגסוגת / Mose 2 (מקום 4, איור 3) ואזור Mose 2 (מקום 3, 3C איור) מראות סגסוגת אמורפי נוצרה על פני השטח של חד-גביש Mose 2.

ספקטרום EDX ודפוס הצלצול של סעד באיור 3D מראים כי Pt הוא המרכיב העיקרי ושיש לו את האלקטרודה מתכת מבנה גבישי. מדידות דומות, שמוצג באיור 3E, הצביע סגסוגת-מופגז יון עם מבנה דמוי-אמורפי ומכיל תערובת של מו, Se, וPt ביחס של 2: 4: 1. Nanoflake Mose 2 חד-הגביש אושר עוד יותר על ידי מדידות EDX והסעד, שמוצגות באיור 3F.

למגע ohmic מפוברק באמצעות השיטה בתצהיר FIB, בMose 2 ננו רב השכבתי עם עוביים שונים, G וערכי σ יכולים להיות לקביעה מדויקת. איור 4 א מציג את ערכי נתון G לnanoflakes Mose 2 עם עוביים שונים. זה יכול להיות שנצפה שערך G לא מראה שינוי הנצפה או שינוי בעובי מעל שני סדרי הגודל. תצפית זו היא ההפך לתחזיות תיאורטיות, לפיה G היא באופן ליניארי תלויה בעובי (t) לזרם אחיד והוא WRאיטן כ

משוואת 1

איפה הוא האזור לתחבורה נוכחית, ואני, W, ולא הם את האורך, רוחב, והעובי של המנצח, בהתאמה.

. ניתן להשיג ערך σ באמצעות משוואה (1) איור 4 מראה את המוליכות כפונקציה של העובי (σ - t). הערך של עליות σ על ידי יותר משני סדרי גודל, מ -4.6 ל -1,500 Ω - 1 סנטימטר - 1 כאשר לא יורד מ2,700 עד 6 ננומטר. לא הפוך σ כוח החוק ∞ - β מתקבל, שבו ערך β המצויד הוא 0.93. ערכי σ (0.1-1 Ω - 1 סנטימטר - 1) 36-38 (t: 10-100 מיקרומטר) נמצאים גם על הקו המצויד.

באופן עקרוני, σ הוא רכוש פנימי ללא כל תופעות ממד. תלות העובי החזקה של σ מרמזת כי הולכה נוכחית מתרחשת בעיקר על פני השטח של חומר שכבת Mose 2. אם נתיב ההולכה פני השטח הוא בכמה סדרי גודל גבוה יותר מאשר בתפזורת, ערך G לא להגדיל והופך לקבוע, גם אם עליות העובי.

איור 1
איור 1:. נוהל ייצור מכשיר ואפיון חשמלי של Mose 2 nanoflakes שלב 1: אפיונים מורפולוגיים ומבניים של גבישי שכבה 2 בתפזורת Mose ידי XRD וספקטרוסקופיית ראמאן. שלב 2:קילוף מכאני של גבישי שכבת כמויות גדולות על ידי חיתוך קלטת ולבחון את המורפולוגיה של פתיתים הופשטו על ידי FESEM. שלב 3: ייצור אלקטרודה של nanoflakes ידי תצהיר FIB Pt. שלב 4: השלם את המכשיר על ידי ההרכבה שבב המדגם על מצע נציץ וחוט אמייל מליטה באלקטרודות של השבב על ידי דבק Ag. שלב 5: מדגם טען בתחנת הבדיקה קריוגני. שלב 6: בצע אני - מדידת V ולנתח את הנתונים.

איור 2
איור 2: אני - עקומת V, FESEM, ומדידות AFM לשניים ומסוף ארבעה Mose מכשירי 2 nanoflake (א) אני - עקומות V נמדדו בשיטת שני-הבדיקה בטמפרטורת חדר למשך Mose 2 nanoflakes.עם עוביים שונים ב -11, 240, ו1,300 ננומטר. (ב) אני - עקומות V נמדדו על ידי שתי שיטות הבדיקה-וארבע-בדיקה בטמפרטורת חדר למשך nanoflake Mose 2 בעובי 33 ננומטר ב. תמונות FESEM נציג של שני-המסוף ו- (ד) (ג) 2 מכשירי Mose ארבעה המסוף המפוברק על ידי גישת FIB. תמונת AFM טיפוסית (ה) ופרופיל גובה החתך שלה לאורך הקו הכחול ב( ה) (ו) למכשיר Mose 2 עם העובי ב ~ 60 ננומטר. (הודפס מחדש באישור מהשופט. 28, זכויות יוצרים @ IOP ההוצאה לאור בע"מ)

איור 3
איור 3: HRTEM, סעד, וEDX ניתוחי 2 ממשק Pt / משה במכשיר (. ) תמונת TEM החתך של Pt מתכת ממשק 2 מוליכים למחצה / משה במכשיר Mose 2 nanoflake (t ~ 110 ננומטר) המפוברק על ידי גישת FIB. התוויות מספריות מצביעות על האזורים השונים חיטוט לHRTEM, סעד, וEDX ניתוחים. 1: אלקטרודה מתכת Pt, 2: אזור המופצץ ביון סגסוגת, 3: 2 multilayer Mose, ו -4: סגסוגת / ממשק Mose 2. תמונת HRTEM של (ב) ממשק סגסוגת / Mose 2 (מקום 4) ו- (ג) באזור 2 Mose (מקום 3). ספקטרום EDX ודפוסי סעד המתאים לאלקטרודה Pt (ד) (מקום 1), אזור סגסוגת (ה) (מקום 2), ו- (ו) nanoflake Mose 2 (מקום 3), בהתאמה. (הודפס מחדש באישור מהשופט. 28, זכויות יוצרים @ IOP ההוצאה לאור בע"מ)

"Width =" 550 jpg "/>
איור 4:. מוליכות עובי תלויות ב2 nanoflakes Mose (א) המוליכות חשמליות ו( ב) עלילת יומן-היומן של ערכי מוליכות החשמליים לnanoflake Mose 2 עם עוביים שונים נעה בין 6 ל2,700 ננומטר נמדד על ידי שתיים בדיקה (כוכב כחול מוצק) וארבע-בדיקה שיטות (כוכבים פתוחים כחולים). ערכי המוליכות של גבישי Mose 2 תפזורת מתקבלים על ידי המדידות שלנו (המעגל הפתוח וירוק) ומהאזכור גם הם זממו להשוואה. Mose 2 מתגבהים ללא מידע העובי בשופטים. 32, 33, 34 הם הניחו להיות גבוהים יותר מ -10 מיקרומטר ורמות המוליכות שלהם מיוצגות על ידי חיצים ירוקים. הקו האדום הוא מקף הקו המתאים למוליכות לעומת נתוני עובי של Mose 2 nanoflakes. (הודפס מחדש באישור מהשופט. 28, זכויות יוצרים @ IOP ההוצאה לאור בע"מ)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הקביעה מדויקת של ערך σ והתלות שלה בממד nanocrystals השכבה תלויה מאוד באיכות של מגעים החשמליים. השיטה בתצהיר FIB משמשת לתצהיר אלקטרודה מתכת מילאה תפקיד מכריע בכל המחקר. לדברי חשמל, מבני, והרכב ניתוחים, הייצור של קשר יציב ושחזור מאוד ohmic, בשיטה בתצהיר FIB, במכשירי Mose 2 או MOS 2 התאפשר על ידי ההיווצרות של סגסוגת מוליך אמורפי בין מתכת Pt וMose 2 מוליכים למחצה שכבה. מבנה סגסוגת הפגום על פני השטח Mose 2 המציג צפיפות הספק גבוהה יכול ביעילות למזער את ההשפעה של קשר שוטקי. מזהמי פני השטח של מוליכים למחצה, כגון תחמוצות ילידים ופחמימנים, שנחשבים בדרך כלל למקורן שכבת הבידוד בין המתכת ואנשי הקשר של המוליכים למחצה, ניתן למנוע על ידי הפגזת אלומת יונים. החיסול יכול להסביר את התנגדות קשר הנמוכה בהתקני גביש שכבת FIB-מפוברק בתצהיר.

למרות שהשיטה בתצהיר FIB הניסיונית מספקת קשר ohmic אמין לייצור אלקטרודה של ננו מוליכים למחצה שכבה, המרווח המינימלי בין אלקטרודות המתכת היה מוגבל. היא נשלטה להיות מעל מיקרומטר 1 במחקר זה. הסיבה העיקרית להגבלה היא שהאלקטרודה המתכת הופקד FIB אין קצוות ברורים וצד קירות חדים בגלל הפצת גאוס של שטף אלומת יונים בכיוון רדיאלי. חוסר קצוות ברורים וחד הצדדיים יכול לגרום לזיהום משטח חומר וקצר חשמלי אם שתי אלקטרודות מופקדות קרובות מדי זה לזה (בדרך כלל קרוב יותר מ -500 ננומטר).

בנוסף, עיבוד חומר בסביבת אלומת היונים באופן בלתי נמנע נזקים פני החומר, לאהדינג לשינוי בתכונות החומר הגלומות. כדי למנוע נזק אפשרי למשטח חומר על ידי אלומת היונים בתצהיר FIB, ניסינו לצמצם את זמן חשיפת אלומת יונים. בדרך כלל, רוב שלביו של ההליך (כולל בחירת nanocrystals המתאים, מיפוי העמדה, והקלטת תמונות) בוצעו בתחילה במצב SEM; לאחר מכן, המצב היה עבר למצב FIB. לכן, את פני השטח המדגם נחשפו לאלומת היונים לזמן קצר באופן משמעותי (במצב התמונה), אשר תואם את הזמן שלוקח להפעלה במצב FIB לזיהוי Pt הופקדו אזורים. יתר על כן, הגנת משטח יכולה להיות מסופקת על ידי ציפוי חומר אורגני בידוד (כגון bathocuproine) על ננו השכבה לפני FIB בתצהיר (שלא צוין בפרוטוקול).

EBL, שהיא השיטה הנפוצה ביותר, יכול לספק מרווח הרבה יותר קטן בין האלקטרודות (קצר יותר מ -100 ננומטר) לעומת FIBתַצהִיר. נזק אפשרי לחומרים למדו ניתן למנוע על ידי שימוש בEBL. עם זאת, EBL מחייב שימוש להתנגד. בגלל הסרת להתנגד מצופה על פני חומר המלא היא קשה, שיורית להתנגד יכול לגרום להתנגדות קשר גבוהה בין מתכת המגע והחומר שנלמד. בעיה זו מפחיתה את התשואה של אנשי קשר ohmic משמעותי ומעכבת את השימוש בEBL כשיטת ייצור microelectrode. לכן, טכניקת FIB יכולה להיות בחירה טובה עבור ייצור microelectrode עם קשר ohmic אמין ושחזור בנוסף לEBL.

עם זאת, במחקר זה, העובי המינימלי של חומר שכבת Mose 2 מגיע רק 6 ננומטר (כ 9-10 monolayers). קשר איכות החשמל לחומרי Ultrathin שכבה עם נמוך מ -5 monolayers העובי עדיין לא ידועה. צפוי כי שטח המגע בחומרי Ultrathin השכבה ניתן alloyed לחלוטין כי סגסוגת PT-מו-Seעובי (25-30 ננומטר) הנגרם על ידי הפגזת היון הוא גבוה יותר מאשר עובי החומר. עבודה נוספת עדיין נדרשת לפרט את השפעת סגסוגת על נכס קשר ohmic באמצעות גישת FIB.

במציאות, השיטה בתצהיר FIB פותחה בעיקר לכרסום מהותי או תחריט על סולמות מיקרומטר וננומטר. בתצהיר מתכת הוא שימוש ממושך היחיד של השיטה לציפוי או להגנת משטחי חומר. עם זאת, בדוח זה, השיטה בתצהיר FIB אומצה למגע ייצור ohmic בננו מוליכים למחצה שכבה. ההתבוננות בהשפעת העובי על מאפייני התחבורה בננו 2D אלה התאפשרה על ידי השימוש בשיטה בתצהיר FIB. ייצור אלקטרודה בקנה מידת מיקרומטר או submicrometer עם איכות קשר ohmic אמינה כבר אתגר וחיוני עבור מגוון רחב של יישומים, כגון אפיון בסיסי חשמלי של ננו, חיסול של מתנ קשרtance לעיבוד מכשיר אלקטרוני, ומיתוך המקומי של משטחי חומר. ההפגנה של ייצור microelectrode על ננו שכבה בשיטה בתצהיר FIB יכולה לשמש כנקודת התייחסות חיונית ושימושית לחוקרי עתיד ומהנדסים באקדמיה ובתעשייה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
HRTEM&SEAD FEI (http://www.fei.com/products/tem/tecnai-g2/?ind=MS) Tecnai™ G2 F-20
SEM&EDS HITACHI (http://www.hitachi-hitec.com/global/em/sem/sem_index.html) S-3000H
FIB FEI (http://www.fei.com/products/dualbeam/versa-3d/) Quanta 3D FEG
AFM BRUKER (http://www.bruker.com/products/surface-analysis/atomic-force-microscopy/dimension-icon/overview.html) Dimension Icon
XRD Bruker (https://www.bruker.com/products/x-ray-diffraction-and-elemental-analysis/x-ray-diffraction/d2-phaser/learn-more.html) D2 PHASER X-ray Diffractometer
Raman Renishaw (http://www.renishaw.com/en/renishaw-enhancing-efficiency-in-manufacturing-and-healthcare--1030) inVia Raman microscope system
Keithley-4200 keithley (http://www.keithley.com.tw/products/dcac/currentvoltage/4200scs) 4200scs
ultralow current leakage cryogenic probe station Lakeshore Cryotronics (http://www.lakeshore.com/) TTP4
copper foil tape 3M (http://solutions.3m.com/wps/portal/3M/en_US/Electronics_NA/Electronics/Products/Product_Catalog/~/3M-Copper-Foil-Shielding-Tape-1182?N=4294300025+5153906&&Nr=AND%28hrcy_id%3A8CQ27CX0WMgs_F2LMWMM6M6_N2RL3FHWVK_GPD0K8BC31gv%29&rt=d) 1182
Ag paste Well-Being (http://www.gredmann.com/about.htm) MS-5000
Cu wire Guv Team (http://www.guvteam.com) ICUD0D01N
dicing tape Nexteck (http://www.nexteck-corp.com/tw/product-tape.html) contact vender
mica Centenary Electronic (http://100y.diytrade.com/sdp/307600/4/pl-1175840/0.html) T0-200
enamel wire Light-Tech Electronics (http://www.ltc.com.tw/product_info.php/products_id/57631) S.W.G #38

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Wilson, J. A., Yoffe, A. D. The transition metal dichalcogenides discussion and interpretation of the observed optical, electrical and structural properties. Adv. Phys. 18 (73), 193-335 (1969).
  2. Ataca, C., Sahin, H., Ciraci, S. Single-layer MX2 transition-metal oxides and dichalcogenides in a honeycomb-like structure. J. Phys. Chem. C. 116 (16), 8983-8999 (2012).
  3. Wang, Q. H., Kalantar-Zadeh, K., Kis, A., Coleman, J. N., Strano, M. S. Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides. Nature Nanotech. 7 (11), 699-712 (2012).
  4. Mak, K. F., Lee, C., Hone, J., Shan, J., Heinz, T. F. Atomically thin MoS2: A new direct-gap semiconductor. Phys. Rev. Lett. 105 (13), 136805 (2010).
  5. Splendiani, A., et al. Emerging photoluminescence in monolayer MoS2. Nano Lett. 10 (4), 1271-1275 (2010).
  6. Lebègue, S., Eriksson, O. Electronic structure of two-dimensional crystals from ab initio theory. Phys. Rev. B. 79 (11), 115409 (2009).
  7. Kuc, A., Zibouche, N., Heine, T. Influence of quantum confinement on the electronic structure of the transition metal sulfide TS2. Phys. Rev. B. 83 (24), 245213 (2011).
  8. Yoffe, A. D. Layer compounds. Annu. Rev. Mater. Sci. 3, 147-170 (1993).
  9. Chen, Y., et al. Tunable band gap photoluminescence from atomically thin transition-metal dichalcogenide alloys. ACS Nano. 7 (5), 4610-4616 (2013).
  10. Radisavljevic, B., Kis, A. Mobility engineering and a metal-insulator transition in monolayer MoS2. Nature Mater. 12 (9), 815-820 (2013).
  11. Zhang, Y., Ye, J., Matsuhashi, Y., Iwasa, Y. Ambipolar MoS2 thin flake transistors. Nano Lett. 12 (3), 1136-1140 (2012).
  12. Liu, H., Neal, A. T., Ye, P. D. Channel length scaling of MoS2 MOSFETs. ACS Nano. 6 (10), 8563-8569 (2012).
  13. Ghatak, S., Pal, A. N., Ghosh, A. Nature of electronic states in atomically thin MoS2 field-effect transistors. ACS Nano. 5 (10), 7707-7712 (2011).
  14. Ong, Z. Y., Fischetti, M. V. Mobility enhancement and temperature dependence in top-gated single-layer MoS2. Phys. Rev. B. 88 (16), (2013).
  15. Hwang, W. S., et al. Comparative study of chemically synthesized and exfoliated multilayer MoS2 field-effect transistors. Appl. Phys. Lett. 102 (4), 165316 (2013).
  16. Park, W., et al. Oxygen environmental and passivation effects on molybdenum disulfide field effect transistors. Nanotechnology. 24 (9), 095202 (2013).
  17. Wu, W., et al. High mobility and high on/off ratio field-effect transistors based on chemical vapor deposited single-crystal MoS2 grains. Appl. Phys. Lett. 102 (14), 142106 (2013).
  18. Larentis, S., Fallahazad, B., Tutuc, E. Field-effect transistors and intrinsic mobility in ultra-thin MoSe2 layers. Appl. Phys. Lett. 101 (22), 223104 (2012).
  19. Bolotin, K. I., et al. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid State Commun. 146 (9), 351-355 (2008).
  20. Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 438 (7065), 197-200 (2005).
  21. Zhang, Y., Tan, Y. W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene. Nature. 438 (7065), 201-204 (2005).
  22. Radisavljevic, B., Radenovic, A., Brivio, J., Giacometti, V., Kis, A. Single-layer MoS2 transistors. Nature Nanotech. 6 (3), 147-150 (2011).
  23. Chang, C. Y., et al. Electrical transport properties of single GaN and InN nanowires. J. Electro. Mater. 35 (4), 738-743 (2006).
  24. Calarco, R., et al. Size-dependent photoconductivity in MBE-grown GaN-nanowires. Nano. Lett. 5 (5), 981-984 (2005).
  25. Soci, C., et al. ZnO nanowire UV photodectors with high internal gain. Nano Lett. 7 (4), 1003-1009 (2007).
  26. Nam, D. T., Fischer, J. E. Disorder effects in focused-ion-beam-deposited Pt contacts on GaN nanowires. Nano Lett. 5 (10), 2029-2033 (2005).
  27. Chen, R. S., et al. Anomalous quantum efficiency for photoconduction and its power dependence in metal oxide semiconductor nanowires. Nanoscale. 5 (15), 6867-6873 (2013).
  28. Chen, R. S., Tang, C. C., Shen, W. C., Huang, Y. S. Thickness-dependent electrical conductivities and ohmic contacts in transition metal dichalcogenides multilayers. Nanotechnology. 25 (41), (2014).
  29. Huang, Y. H., Peng, C. C., Chen, R. S., Huang, Y. S., Ho, C. H. Transport properties in semiconducting NbS2 nanoflakes. Appl. Phys. Lett. 105 (9), (2014).
  30. Hu, S. Y., Liang, C. H., Tiong, K. K., Lee, Y. C., Huang, Y. S. Preparation and characterization of large niobium-doped MoSe2 single crystals. J. Crystal Growth. 285 (3), 408-414 (2005).
  31. Das, S., Appenzeller, J. Where does the current flow in two-dimensional layered systems. Nano Lett. 13 (7), 3396-3402 (2013).
  32. Cullity, B. D. Elements of X-ray Diffraction. , 2nd ed, Addison-Wesley Publishing Company, Inc. Boston, Massachusetts. (1978).
  33. Jadczak, J., et al. Composition dependent lattice dynamics in MoSxSe(2-x) alloys. J. Appl. Phys. 116 (19), 193505 (2014).
  34. Raman Scattering in Materials Science. Weber, W. H., Merlin, R. , Springer Science. Verlag, Berlin. (2000).
  35. Tonndorf, P., et al. Photoluminescence emission and Raman response of monolayer MoS2, MoSe2, and WSe2. Opt. Express. 21 (4), 4908-4916 (2013).
  36. Hu, S. Y., Liang, C. H., Tiong, K. K., Lee, Y. C., Huang, Y. S. Preparation and characterization of large niobium-doped MoSe2 single crystals. J. Crystal Growth. 285 (3), 408-414 (2005).
  37. Hu, S. Y., Liang, C. H., Tiong, K. K., Huang, Y. S. Effect of Re dopant on the electrical and optical properties of MoSe2 single crystals. J. Alloys Compounds. 442 (1-2), 1-2 (2007).
  38. Bougouma, M., et al. Growth and characterization of large, high quality MoSe2 single crystals. J. Crystal Growth. 363, 122-127 (2013).

Tags

הנדסה גיליון 106 קרן ממוקדת-יון (FIB) קשר ohmic מוליכים למחצה שכבה diselenide מוליבדן (Mose Disulphide מוליבדן (MOS מוליכות חשמליות מיקרוסקופ כוח האטומי (AFM) מיקרוסקופ אלקטרונים שידור ברזולוציה גבוהה (HRTEM) diffractometry אלקטרון נבחר-אזור (סעד) ספקטרוסקופיה רנטגן אנרגיה נפיצה (EDX)
ייצור לתקשר ohmic בטכניקה ממוקד-אלומת יונים וחשמל אפיון לשכבת מבני ננו מוליך למחצה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chen, R. S., Tang, C. C., Shen, W.… More

Chen, R. S., Tang, C. C., Shen, W. C., Huang, Y. S. Ohmic Contact Fabrication Using a Focused-ion Beam Technique and Electrical Characterization for Layer Semiconductor Nanostructures. J. Vis. Exp. (106), e53200, doi:10.3791/53200 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter