Waiting
Login processing...

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

Engineering

Ohmse Contact Fabrication Met behulp van een Focused-Ion Beam Techniek en elektrische karakterisatie voor Layer halfgeleider nanostructuren

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

Layer halfgeleiders met gemakkelijk verwerkt tweedimensionale (2D) structuren vertonen indirect naar direct bandgap overgangen en superieure transistor prestaties, die een nieuwe richting voor de ontwikkeling van de volgende generatie ultradunne flexibele fotonische en elektronische apparaten stellen. Verbeterde luminescentie kwantumopbrengst is algemeen waargenomen bij deze atomair dunne 2D kristallen. Echter, zijn dimensie effecten buiten kwantumopsluiting diktes of zelfs op de micrometer schaal niet verwacht en zijn zelden waargenomen. In deze studie, molybdeen diselenide (mose 2) laag kristallen met dikten van 6-2,700 nm werden vervaardigd zoals twee of vier eindapparaten. Ohmse contact formatie werd met succes bereikt door de gerichte-ionenbundel (FIB) depositie methode met behulp van platina (Pt) als contact metaal. Layer kristallen met verschillende diktes werden voorbereid door middel van eenvoudige mechanische peeling met behulp van blokjes snijden tape. Stroom-spanning curve measurements werden uitgevoerd om de geleidbaarheid van de laag nanokristallen bepalen. Bovendien, hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie, Selected Area electron diffractometrie en energie-dispersieve röntgenspectroscopie werden gebruikt om het grensvlak van de metaal-halfgeleider contact van de FIB-gefabriceerde mose 2 apparaten te karakteriseren. Na het aanbrengen van de benaderingen, werd de substantiële dikte afhankelijk van elektrische geleidbaarheid in een breed scala dikte van de Mose 2-laag halfgeleidermateriaal waargenomen. De geleidbaarheid met meer dan twee orden van grootte van 4,6 tot 1500 Ω - 1 cm - 1, met een afname van de dikte van 2.700 tot 6 nm. Bovendien, de temperatuursafhankelijke geleiding aangegeven dat de dunne mose 2 multilagen vertoonde aanzienlijk zwak halfgeleidend gedrag activeringsenergie van 3,5-8,5 meV, die aanzienlijk kleiner zijn dan die (36-38 meV) van de bulk zijn. Probable oppervlakteactieve dominant transporteigenschappen en de aanwezigheid van een hoge oppervlakte elektronenconcentratie in mose 2 voorgesteld. Vergelijkbare resultaten kunnen worden verkregen voor andere laag halfgeleidermateriaal zoals MoS2 en WS2.

Introduction

Transition metal dichalcogenides (TMD), zoals MoS2, mose 2, WS 2 en WSE 2, een interessant tweedimensionale (2D) laagstructuur en halfgeleidende eigenschappen 1-3. Wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat de monolaag structuur van MoS 2 toont een aanzienlijk meer lichtemitterende efficiëntie vanwege de kwantumopsluiting effect. De vondst van het nieuwe directe bandgap halfgeleidermateriaal heeft aanzienlijke aandacht trok 4-7. Bovendien, het gemakkelijk ontdaan laagstructuur van TMD een uitstekend platform voor het bestuderen van de fundamentele eigenschappen van 2D materialen. Unlike metallic grafeen zonder bandgap, TMD hebben inherente halfgeleidende eigenschappen en een bandgap in het gebied van 1-2 eV 1.3.8. De 2D-structuur van het ternaire verbindingen TMD 9 en de mogelijkheid van integratie van deze verbindingen met grafeen bieden een ongekende opportunity aan ultradunne en flexibele elektronische apparaten te ontwikkelen.

In tegenstelling tot grafeen, de kamertemperatuur elektronenmobiliteit waarden van 2D TMD zijn op een gematigd niveau (1-200 cm 2 V - 1 sec - 1 voor MoS 10-17 februari, ongeveer 50 cm 2 V - 1 sec - 1 voor Mose 2 18 ). De optimale waarden van grafeen mobiliteit werden gemeld hoger zijn dan 10.000 cm 2 V - 1 sec. - 1 19-21 Niettemin halfgeleidende TMD monolagen vertonen een uitstekende prestatie van het apparaat. Bijvoorbeeld, de MoS 2 en Mose 2 monolagen of multilayer field-effect transistors vertonen extreem hoog aan / uit-verhoudingen, tot 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. Daarom is het cruciaal om de fundamentele elektrische eigenschappen van de 2D TMD en begrijpenir bulk materialen.

Studies van de elektrische eigenschappen van de laag materialen zijn gedeeltelijk belemmerd vanwege de moeilijkheid in het vormen van goede ohmse contacten op de laag kristallen. Drie benaderingen, schaduw masker depositie (SMD) 23, electron beam lithografie (EBL) 24,25, en gericht ion beam (FIB) depositie, zijn 26,27 gebruikt om elektrische contactpunten op nanomaterialen vormen. Omdat SMD omvat gewoonlijk het gebruik van een koperen rooster als masker, de afstand tussen twee contactelektroden meestal groter dan 10 urn. In tegenstelling tot de EBL en FIB depositie, metaal depositie van elektrode arrays op een substraat wordt uitgevoerd zonder targeting of het selecteren van nanomaterialen van belang in de SMD-methode. Deze benadering kan niet garanderen dat de metalen patronen kunnen worden afgezet op individuele nanomaterialen als elektroden. Het resultaat van de SMD methode heeft een element van toeval. De EBL en FIB depositiemethoden worden gebruikt in descanning elektronenmicroscoop (SEM) systeem; nanomaterialen kan direct worden geobserveerd en geselecteerd elektrode afzetting. Bovendien kunnen EBL worden gebruikt om eenvoudig te fabriceren metalen elektroden met een lijnbreedte en een contactelektrode spatiëring kleiner dan 100 nm. De overblijvende resist op het nanomateriaal oppervlak gelaten tijdens lithografie onvermijdelijk resulteert in de vorming van een isolerende laag tussen de metalen elektrode en het nanomateriaal. Zo EBL leidt tot hoge contact weerstand.

Het belangrijkste voordeel van de elektrode fabricage tot FIB depositie is dat dit leidt tot lage contactweerstand. Omdat metaalafzetting wordt uitgevoerd door de ontleding van een organometaalvoorloper met een ionenbundel met de gedefinieerde ruimte, metaal depositie ionenbombardement gelijktijdig optreden. Dit zou de metaal-halfgeleider-interface vernietigen en voorkomen de vorming van Schottky contact. Ionenbombardement kan ook verontreinigingen zoals Hydrocar eliminerenbons en inheemse oxides, die contact weerstand afneemt. Ohmse contact fabricage door middel van FIB afzetting is aangetoond voor verschillende nanomaterialen 27-29. Bovendien is de gehele fabricageprocedure in de FIB depositie benadering is eenvoudiger dan in EBL.

Zoals layer halfgeleiders vertonen kenmerkend sterk anisotrope elektrische geleiding, de geleidbaarheid van de laag-tot-laag richting enkele orden van grootte lager dan in de richting 30,31 in het vlak. Deze eigenschap verhoogt de moeilijkheid van het vervaardigen ohmse contacten en het bepalen van de elektrische geleidbaarheid. Daarom is in deze studie werd FIB afzetting gebruikt voor het bestuderen van de elektrische eigenschappen van de laag halfgeleider nanostructuren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Structurele karakterisatie van Mose 2 Layer Crystals (zie stap 1 in figuur 1)

  1. XRD Measurement Procedure
    1. Monteer een Mose 2 lagen kristallen (de orde van grootte van 5 x 5 x 0,1-10 x 10 x 0,5 mm 3) of crystal poeder op de houder (die werd gemengd met kwarts poeder en bindmiddel en werd gesmeerd op de dia glas).
    2. Druk op de houder van een dia glas te laag kristal oppervlak parallel aan de houder van het oppervlak te garanderen.
    3. Laad de monsterhouder in de diffractometer.
    4. Sluit de deuren van de diffractometer.
    5. Kalibreren beam lijn dienovereenkomstig instructies van de fabrikant.
    6. Input meting parameters zoals de 2 scan bereik (10-80 °), de toename (0,004 °), en de verblijftijd (0,1 sec).
    7. Start het DIFFRAC.Measurement Center programma op de computer aangesloten op de diffractometer en vervolgens opslaan van gegevens en bestandsnaam volgens de proto fabrikantcol.
    8. Analyseer het XRD patroon van het identificeren van de posities van de diffractiepieken met de software en vergelijk met standaardgegevens van JCPDS-kaart database naar de enkelvoudige out-of-plane oriëntatie en single-kristallijne kwaliteit van het mose 2 lagen kristallen 32,33 bevestigen .
  2. Micro-Raman Measurement Procedure
    1. Voer de Raman apparatuur kalibreren met een siliciumwafer als standaardmonster. De meting van de siliciumwafer is gelijk aan de hieronder beschreven voor de geïnteresseerde mose 2 layer kristal procedure.
    2. Monteer een Mose 2 laag kristallen op de dia glas.
    3. Laad de dia glas op de houder van de optische microscoop en de focus van het monster oppervlak met een witte lichtbron.
    4. Schakel de lichtbron uit een wit licht van een laserstraal (golflengte 514 nm).
    5. Input meetparameters zoals scanbereik golfgetal (150-500 cm -1), de integratie tijd (10 sec), en het aantal scantijden (10-30 keer).
    6. Start het programma op de computer aangesloten op de Raman spectrometer en vervolgens opslaan van gegevens en bestandsnaam volgens het protocol van de fabrikant.
    7. Analyseer de Raman spectrum identificatie van hun piekbreedte en veran- deren met software en vergelijk met standaardgegevens van verwijzingen naar het type kristalstructuur en de kwaliteit van de mose 2 lagen kristallen 34,35 bevestigen.

2. Fabricage van Mose 2 Layer Nanocrystal Devices

  1. Mechanische afschilfering van Layer Crystals
    1. Schoon pincet met aceton en alcohol.
    2. Kies de Mose 2 lagen kristallen (4-8 stuks) met een glanzend oppervlak (dwz spiegel-achtige crystal gezicht) en een gebied maat groter dan 0,5 x 0,5 mm 2 met de pincet en leg ze op de blokken snijden tape met een oppervlakte grootte van 20 x 60 mm2.
    3. Vouw de band in de helft van de laag kristallen exfoliëren en herhaal de actie ongeveer twintig keer. Meestal laag kristallen kunnen worden ontdaan in vele micrometer-kristallen in de breedte (zie stap 2 in figuur 1).
    4. Laad het dobbelen tape met de laag nanokristal poeder in de SEM kamer naar de grootte en morfologie van deze gestripte Mose 2 laag microkristal observeren. Als de breedte verdelingen van de laag nanokristal zijn dan 1-20 urn, kan het nanokristal poeder voldoen aan de criteria voor het apparaat fabricage.
  2. Spreiding van de Layer nanokristallen op de Template Device
    1. Leg de blokjes snijden tape met de laag nanokristal poeder ondersteboven op de sjabloon apparaat. De template is SiO 2 (300 nm) beklede siliciumsubstraat met zestien vooraf gevormde Ti (30 nm) / Au (90 nm) elektroden op het oppervlak SiO 2 (zie stap 4 in Figuur 1). Het gebied grootte van de template is 5 x 5 mm
    2. Tik op de blokken snijden tape lichtjes sommige nanokristallen (ongeveer 10 tot 100 stuks) vallen op de sjabloon te maken.
    3. Controleer de aantaldichtheid en verspreiding toestand van de nanokristallen op de mal optische microscoop of soms SEM als de gedispergeerde nanokristallen niet kan worden waargenomen door lichtmicroscoop. Meestal 2 tot 5 stuks nanokristallen (stippellijn maat groter is dan 2 x 2 pm 2) gedispergeerd in het midden vierkant (met een oppervlakte van 80 x 80 urn 2) van de sjabloon zonder overlapping aan elkaar zijn betere conditie voor de volgende FIB verwerking .
  3. Elektrode Fabrication door FIB
    1. Mount templates op het FIB houder met het uitvoeren van koperfolie tape. Kenmerkend het gebied van geleidende tape van 3 x 2,4 cm 2 was vereist voor de montage 6-8 templates.
    2. Laad de houder in het FIB kamer.
    3. Evacueren van de kamer naar de vacuüm mate tot 10 -5 mbar door te klikken op de knop"Pomp".
    4. Stel de elektronenbundelstroom (41 pA) en acceleratie spanning (10 kV) voor SEM-bedrijf.
    5. Stel de ionenbundelstroom (0,1 nA) en acceleratie spanning (30 kV) voor FIB mode.
    6. Warmen de ionenbundel systeem en gas-injectie-systeem (GIS) door te klikken op de knop "balk op" en de knop "Koude" in de "Gas Injection" blok, respectievelijk.
    7. Zet de elektronenbundel door te klikken op de knop "Beam On" en richten het beeld bij een lage vergroting van 100X.
    8. Stel de z-axiale werkafstand (WD) bij 10 mm voor SEM-modus.
    9. Stel de vergroting bij 5,000X en focus.
    10. Stel de hellingshoek van de houder tot 52 graden door te klikken op de knop "Navigatie" en het invoeren van de kantelhoek "52".
    11. Selecteer een mose 2 lagen nanokristal met een bepaalde dikte (van 5 tot 3000 nm) en een rechthoekige en vierkante vorm voor de elektrode fabricatie.
    12. Neem de SEM-beelden op verschillende vergrotingen (van 1000x tot 10.000X) van de beoogde ongerepte materiaal voor elektrode fabricage door te klikken op de knop "Snapshot".
    13. Schakelen naar de modus FIB en neem een ​​beeld FIB door de snapshot-modus om de belichtingstijd van de beoogde materiaal onder ionenbundel bombardement verminderen.
    14. Definieer de elektrode afzetting zone, selecteer de "Pt depositie" mode, en voer de dikte (0,2-1,0 pm) waarde van de afgezette Pt elektrode.
    15. Introduceren de capillaire van GIS in de kamer door te klikken op het vakje "Pt dep" in de "Gas Injection" blok.
    16. Neem een ​​beeld door de snapshot-modus weer en de positie van de elektroden aan te passen als de oorspronkelijk bepaald patroon verschuift enigszins.
    17. Schakel de FIB afzetting door te klikken op de knop "Start Patterning".
    18. Na afzetting, trekken de capillaire van GIS weer los te klikken door het vakje "Pt dep "in de" Gas Injection "blok.
    19. Schakelen naar de SEM-modus en controleer het resultaat van de afgezette Pt-elektroden op de laag nanokristal.
    20. Neem de SEM beelden met verschillende vergrotingen van het voltooide inrichtingen met twee of vier elektroden (zie stap 3 in figuur 1).
    21. Stel de hellingshoek van de houder terug te keren naar 0 graden door te klikken op de knop "Navigatie" en het invoeren van de kantelhoek "0".
    22. Neem de top-bekeken SEM beelden op verschillende vergrotingen van de schattingen van het materiaal breedte en inter-elektrode afstand door te klikken op de knop "Snapshot".
    23. Schakel de electron-beam en ion beam systemen en afkoelen GIS-systeem door te klikken op de knop "Beam Off" en de knop "Warm" in de "Gas Injection" blok, respectievelijk.
    24. Vent de kamer door het introduceren van stikstofgas door te klikken op de knoppen "vent" en neem dan de houderuit de kamer. Het duurt doorgaans 5 tot 10 minuten naar de ontluchting te voltooien.
    25. Sluit de kamerdeur en evacueren de kamer.

3. Karakteriseringen van de Mose 2 Layer Nanocrystal Devices

  1. Dikte Meting van de Layer Nanokristallen door AFM
    1. Installeer de AFM cantilever de sonde houder.
    2. Zet AFM-programma en kies "ScanAsyst" mode.
    3. Laad de sonde houder en sluit deze met de laser diode hoofd van de AFM station.
    4. Voer de kalibratie om het incident laserstraal positie en de cantilever volgens het protocol van de fabrikant af te stemmen.
    5. Monteer het monster (de sjabloon chip met FIB vervaardigde laag nanokristallen apparaten) op het monster houder van Cu tape.
    6. Laad het monster houder aan de AFM station.
    7. Verplaats de monsterhouder naar de positie ongeveer onder de laserstraal of de AFM cantilevER.
    8. Lager AFM cantilever om de focus positie door de optische microscoop beeld van de laag nanokristal scherpstellen.
    9. Input scanparameters zoals het scangebied (6 x 30/6 x 30 urn 2), de frequentie (0,5-1,5 Hz), en de resolutie (256-512 lijnen).
    10. Start het programma en bewaart volgens het protocol van de fabrikant.
    11. Verhoog de AFM cantilever en neem het monster houder uit.
    12. Laad het tweede monster en herhaal het bovenstaande indien nodig beschreven meetmethode.
    13. Schat de dikte van de laag nanokristallen door analyse van de AFM beeld en de hoogte van het profiel met behulp van de software "NanoScope Analysis". Selecteer een laterale hoogteprofiel van de AFM beeld en bepaalt de gemiddelde diktewaarde van de flatten gebied van het profiel. (Zie figuur 2d en 2e)
  2. Stroom versus voltage (IV) meting van de laag nanokristallen
    1. Berghet monster (de sjabloon chip met FIB vervaardigde laag nanokristallen apparaten) op de mica ondergrond door Cu tape.
    2. Binden de geëmailleerde draden of Cu draden op de elektroden van de chip door Ag pasta. (Zie stap 4 in Figuur 1).
    3. Laad het voltooide monster in de sonde station kamer en plaats deze op de monsterhouder door Cu tape. De cryogene sonde station is gelegen in de donkere omgeving. (Zie stap 5 in figuur 1).
    4. Soldeer de elektrische bedrading van het monster en de metalen elektrodes van de probes een voor een.
    5. Cap de kamer boven en evacueren de kamer tot 10 -4 mbar. Afkoelen monster op de 77 K door de invoering van vloeibare stikstof in de sonde station. Stel het temperatuurbereik (meestal 80-320 K), interval, en woont tijd voor de temperatuurregeling. (Alleen nodig voor de temperatuur-afhankelijke meting).
    6. Stel de aangelegde spanning vegen (typisch van -1 tot 1 V), spanning interval (0,01 V), en de beperkte maximale stroom (10 of 100 uA) in een ultrahoge impedantie multifunctionele elektrometer voor beide terminale IV meting. Vier-terminal meting, stelt de toegepaste stroom vegen bereik (meestal van -100 tot 100 uA) en de huidige interval (1 uA).
    7. Start het programma en slaat de data IV bij kamertemperatuur of bij verschillende temperaturen.
    8. Open de kamer dop indien nodig en neem het monster uit de kamer.
    9. Laad het tweede monster indien nodig en herhaal de hierboven beschreven procedure.
    10. Analyseer de IV curve door het uitzetten van de gemeten stroom versus aangelegde spanning van gegevens met behulp van de software. Breng de IV curve door het selecteren van de Linear Montage functie. Controleer de lineariteit van de IV-curve en het verkrijgen van de helling (bijvoorbeeld geleidbaarheid). (Zie stap 6 in figuur 1).
    11. Herhaal de stap 3.2.10 voor de IV curves mgem eten bij verschillende temperaturen indien nodig.
    12. Bereken de geleidbaarheid (σ) waarde volgens de vergelijking σ = G (t / tw) de vaststelling van de parameters verkregen IV, SEM en AFM metingen zoals geleiding (G), de dikte (t), breedte (W) en lengte ( l) van de laag nanokristal.
    13. Plot de rondingen van de geleidbaarheid en de geleidbaarheid waarden versus laagdikte van nanokristallen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De gevonden waarden van de elektrische geleiding (G) en geleiding (σ) van nanomaterialen lagen met verschillende dikten zijn sterk afhankelijk van de kwaliteit van de elektrische contacten. De ohmse contacten van de FIB-depositie gefabriceerd tweepolige mose 2 apparaten worden gekenmerkt door meting van de stroom-spanning (I - V) curve. De ruimtetemperatuur I - V curves voor tweepolige mose 2 nanoflake apparaten met verschillende dikten zijn weergegeven in figuur 2a. De I - V bochten volgen een lineair verband. Dit bevestigt de ohmse contact toestand van de Mose 2 apparaten.

. Gedeeltelijke apparaten met vier elektroden werden gefabriceerd om verder uit te sluiten van de mogelijke gevolgen van de contactpersoon weerstand Figuur 2b illustreert de typische I - V bochten gemeten door twee-electrode en vier elektroden methoden bij kamertemperatuur gedurende dezelfde nanoflake met een dikte van 33 nm. De berekende σ waarden voor de twee-probe en vier-probe metingen bij 117 en 118 Ω - 1 cm - 1 resp. Omdat de σ-waarden berekend met behulp van twee-probe en vier-probe metingen van dezelfde inrichtingen waren zeer vergelijkbaar, de invloed van de contactweerstand van de bepaalde G en σ waarden in deze studie was verwaarloosbaar. Figuren 2c en 2d tonen de representatieve veldemissie- scanning elektronenmicroscoop (FESEM) beeld van de twee aansluitingen en vier-terminale mose 2 apparaten resp. De dikten van de mose 2 nanoflakes de inrichtingen werden geschat met behulp van atomic force microscopy (AFM) metingen; een monster meting wordt getoond in figuren 2e en 2f.

Het metaal-halfgeleider-interface van de elektrische contact in het Mose 2 apparaten werd verder onderzocht met behulp van hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie (HRTEM), geselecteerd-area electron diffractometrie (SAED) en energie-dispersieve X-ray spectroscopy (EDX). Figuur 3a toont de dwarsdoorsnede transmissie elektronenmicroscopie (TEM) foto van de interface Pt / mose 2. Het beeld toont aan dat een legering laag (25-30 nm) werd gevormd tussen Pt en Mose 2 vanwege ionenbundel bombardement. HRTEM afbeeldingen van de interface legering / mose 2 (spot 4, figuur 3b) en de mose 2 gebied (spot 3, figuur 3c) tonen een amorfe legering gevormd op het oppervlak van monokristallijne mose 2.

De EDX spectrum en het belpatroon van SAED in figuur 3d laten zien dat Pt is het belangrijkste bestanddeel is en dat de metalen elektrode een polykristallijne structuur. Soortgelijke metingenZie figuur 3e aangegeven een ionen gebombardeerd legering met een amorfe structuur en met een mengsel van Mo, Se, en Pt in een verhouding van 2: 4: 1. De monokristallijne mose 2 nanoflake werd verder bevestigd door EDX en SAED metingen worden getoond in figuur 3f.

Voor de ohmse contact vervaardigd met behulp van de FIB depositie methode, Mose 2 multilayer nanostructuren met verschillende diktes, de G en σ waarden kunnen nauwkeurig bepaald. Figuur 4a toont de statistiek G-waarden van de Mose 2 nanoflakes met verschillende diktes. Waargenomen kan worden dat de waarde G een waarneembare verandering of een wijziging in de dikte over twee ordes van grootte niet vertoont. Deze waarneming is tegengesteld aan theoretische voorspellingen, volgens welke G lineair afhankelijk van de dikte (t) voor een gelijkmatige stroom en wrItten als

Vergelijking 1

Waarbij A de oppervlakte stroomtransport, en l, w, en t de lengte, breedte en dikte van de geleider, respectievelijk.

. De σ waarde kan worden verkregen met vergelijking (1) Figuur 4b toont de geleidbaarheid als functie van de dikte (σ - t). De waarde van σ stijgt met meer dan twee orden van grootte van 4,6 tot 1500 Ω - 1 cm - 1 t afneemt van 2700 tot 6 nm. Een omgekeerde power-wet σ ∞ t - β wordt verkregen, waarbij de gemonteerde β waarde is 0,93. De waarden σ (0,1-1 Ω - 1 cm - 1) 36-38 (t: 10-100 pm) ook op de aangebrachte lijn.

In principe, σ is een intrinsieke eigenschap zonder dimensie effecten. De sterke dikte afhankelijkheid van σ houdt in dat de huidige geleiding komt vooral aan het oppervlak van de Mose 2 lagen materiaal. Als het oppervlak geleidingspad enkele orden van grootte hoger dan de bulk, de G-waarde niet toeneemt en wordt een constant, zelfs indien de dikte toeneemt.

Figuur 1
Figuur 1:. Procedure voor het apparaat fabricage en elektrische karakterisering van Mose 2 nanoflakes Stap 1: morfologische en structurele karakteriseringen van Mose 2 bulklaag kristallen door XRD en Raman spectroscopie. Stap 2:Mechanische peeling van bulk laag kristallen door dobbelen tape en let op de morfologie van gestripte vlokken door FESEM. Stap 3: De elektrode fabricage van nanoflakes door FIB Pt afzetting. Stap 4: Vul het apparaat door de montage van het monster chip op mica ondergrond en binding geëmailleerde draad op de elektroden van de chip door Ag pasta. Stap 5: het monster lading in de cryogene sonde station. Stap 6: Voer I - V meten en analyseren van de gegevens.

Figuur 2
Figuur 2: I - V curve, FESEM en AFM metingen van twee- en vier terminal mose 2 nanoflake inrichtingen (a) I - V curven gemeten door de twee probe-methode bij kamertemperatuur gedurende de mose 2 nanoflakes.met verschillende diktes op 11, 240 en 1300 nm. (B) de I - V curven gemeten door de twee-probe en vier-probe methode bij kamertemperatuur mose 2 nanoflake met een dikte van 33 nm. De vertegenwoordiger FESEM afbeeldingen (c) de twee-terminal en (d) de vier-terminale mose 2 inrichtingen gefabriceerd door FIB benadering. (E) beeld Een typische AFM en (f) de hoogte in doorsnede profiel langs de blauwe lijn in (e) voor een Mose 2 apparaat met de dikte van ~ 60 nm. (Overgenomen met toestemming van Ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

Figuur 3
Figuur 3: HRTEM, SAED en EDX analyses voor de interface Pt / Mose 2 in het apparaat (. a) De dwarsdoorsnede TEM beeld van de Pt metal / Mose 2 halfgeleider interface in de Mose 2 nanoflake apparaat (t ~ 110 nm) gefabriceerd door FIB aanpak. De numerieke labels geven de verschillende regio's indringende voor HRTEM, SAED en EDX analyses. 1: Pt metalen elektrode, 2:-ion gebombardeerd legering regio, 3: 2 Mose multilayer, en 4: aluminium / Mose 2 interface. De HRTEM beeld van (b) de interface legering / Mose 2 (spot 4) en (c) de Mose 2 regio (plaats 3). De EDX spectra en de bijbehorende SAED patronen voor (d) de Pt elektrode (spot 1), (e) de legering gebied (spot 2) en (f) het mose 2 nanoflake (spot 3), respectievelijk. (Overgenomen met toestemming van Ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

jpg "width =" 550 "/>
Figuur 4:. Dikte afhankelijke geleidingsvermogen Mose 2 nanoflakes (a) de elektrische geleidbaarheid en (b) het log-log grafiek van de elektrische geleidbaarheid waarden voor de mose 2 nanoflake met verschillende dikten varieerden van 6 tot 2700 nm gemeten door twee sonde (blauwe vaste stof ster) en vier-sonde (blauw open sterrenhoop) methoden. De geleidbaarheid waarden van de mose 2 bulkkristallen verkregen door onze metingen (groene open cirkel) en de referenties worden ook weergegeven voor vergelijking. De Mose 2 bulks zonder de dikte van informatie in de Refs. 32, 33, 34 wordt aangenomen hoger te zijn dan 10 urn en de geleidbaarheid niveaus worden weergegeven door groene pijlen. De rode onderbroken lijn is de fitting lijn voor de geleidbaarheid versus dikte gegevens van de Mose 2 nanoflakes. (Overgenomen met toestemming van Ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De nauwkeurige bepaling van de waarde σ en zijn afmeting afhankelijkheid in de laag nanokristallen is sterk afhankelijk van de kwaliteit van de elektrische contacten. De FIB afzetting methode gebruikt voor metalen elektrode afzetting speelde een cruciale rol in de gehele studie. Volgens elektrische, structurele en compositie analyseert de vervaardiging van stabiele en zeer reproduceerbare ohmse contacten, via FIB depositiemethode, in het mose 2 of MoS 2 inrichtingen werd vergemakkelijkt door de vorming van de amorfe geleidende legering tussen de Pt metaal en mose 2 layer halfgeleider. De defecte legering structuur op het Mose 2 oppervlak dat een hoge vervoerder dichtheid toont kon effectief minimaliseren van het effect van de Schottky contact. De verontreinigingen van halfgeleiders, zoals inheemse oxides en koolwaterstoffen, die over het algemeen worden beschouwd als afkomstig van de isolerende laag tussen het metaal en de halfgeleider contactenKan worden geëlimineerd door ionenbundel bombardement. De uitschakeling kan de lage contact weerstand in de FIB-layer deposition gefabriceerd kristallen te verklaren.

Ofschoon de experimentele FIB depositiemethode betrouwbare ohmse contacten voor de vervaardiging van de elektrode lagen halfgeleider nanostructuren, de minimale afstand tussen de metalen elektrodes beperkt. Er werd geregeld om boven 1 urn in deze studie. De belangrijkste reden voor de beperking is dat de FIB neergeslagen metaalelektrode geen duidelijke randen en scherpe zijwanden door de Gauss-verdeling van de ionenbundel flux in de radiale richting hebben. Het ontbreken van duidelijke randen en scherpe zijwanden kan tot materiële oppervlaktecontaminatie en kortsluiting als twee elektroden aangebracht te dicht bij elkaar (typisch minder dan 500 nm).

Daarnaast, materiaal verwerking in de ionenbundel milieu onvermijdelijk schade van het materiaal oppervlak, leading een verandering in de intrinsieke materiaaleigenschappen. Om mogelijke beschadiging van het materiaaloppervlak door de ionenbundel tijdens FIB depositie voorkomen we geprobeerd de ionenbundel blootstelling te minimaliseren. Kenmerkend meeste stappen van de procedure (met inbegrip van het selecteren van geschikte nanokristallen kaart brengen van de positie en het opnemen van beelden) werden aanvankelijk uitgevoerd in de SEM-mode; Vervolgens werd de modus geschakeld naar de FIB mode. Daarom werd het monsteroppervlak blootgesteld aan de ionenbundel voor een aanzienlijk korte tijd (in de snapshotmodus), hetgeen overeenkomt met de tijd die werken bij FIB wijze voor het identificeren van de afgezette Pt gebieden. Bovendien kan oppervlaktebescherming worden door bekleden van een isolerend organisch materiaal (bijvoorbeeld bathocuproine) op de laag nanokristal vóór depositie FIB (niet in het protocol genoemd).

EBL, hetgeen de meest gebruikte werkwijze kan een veel kleinere tussenruimte tussen elektroden (korter dan 100 nm) verschaffen ten opzichte van FIBafzetting. Beschadiging van de onderzochte materialen kan voorkomen worden door EBL. Echter, EBL vereist het gebruik van een resist. Omdat de volledige verwijdering van de resist gecoat op het materiaaloppervlak moeilijk, de resterende resist kan tot hoge contactweerstand tussen het metaal en het contact onderzochte materiaal. Dit probleem beperkt de opbrengst van ohmse contacten aanzienlijk en belemmert het gebruik van EBL als microelektrode vervaardigingswerkwijze. Daarom kan FIB techniek een goede keuze voor micro-elektrode fabricage betrouwbare en reproduceerbare ohms contact naast EBL zijn.

Echter, in deze studie, de minimale dikte van mose 2 laagmateriaal bereikt slechts 6 nm (ongeveer 9-10 monolagen). Het elektrisch contact kwaliteit voor de ultradunne lagen materialen met een dikte van minder dan 5 monolagen is nog onbekend. Verwacht wordt dat het contactgebied van de ultradunne lagen materiaal volledig kan worden gelegeerd omdat de Pt-Mo-Se legeringdikte (25-30 nm) geïnduceerd door de ionen hoger is dan de materiaaldikte. Verder werk is nog steeds nodig om de legering effect op het ohmse contact opnemen met FIB aanpak uitwerken.

In werkelijkheid werd de FIB depositie methode voornamelijk ontwikkeld voor het materiaal malen of etsen op de micrometer en nanometer schaal. Metaalafzetting is slechts een langdurig gebruik van de werkwijze voor het bekleden of het beschermen van materiaaloppervlakken. Echter, in dit rapport werd de FIB depositie methode goedgekeurd voor ohmse contact fabricage in laag halfgeleider nanostructuren. De waarneming van de dikte effect op de transporteigenschappen van deze 2D nanomaterialen werd vergemakkelijkt door het gebruik van de FIB afzettingswerkwijze. Elektrode fabricage op microscopische of submicrometer schaal met betrouwbare kwaliteit ohms contact is een uitdaging en is essentieel voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals fundamentele elektrische karakterisering van nanomaterialen, eliminatie van contact verzetsmonumentafstand voor de elektronische verwerking van het apparaat, en de lokale metallisatie van materiaal oppervlakken. De demonstratie van de micro-elektrode fabricage op laag nanomaterialen met behulp van de FIB depositie methode kan dienen als een belangrijke en nuttige referentie voor toekomstige onderzoekers en ingenieurs in de academische wereld en de industrie.

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

Engineering gericht-ion beam (FIB) ohmse contact laag halfgeleidermateriaal molybdeen diselenide (Mose Molybdeendisulfide (MoS De elektrische geleidbaarheid atomic force microscopie (AFM) hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie (HRTEM) geselecteerd-area electron diffractometrie (SAED) energie-dispersieve X-ray spectroscopy (EDX)
Ohmse Contact Fabrication Met behulp van een Focused-Ion Beam Techniek en elektrische karakterisatie voor Layer halfgeleider nanostructuren
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