Waiting
Login processing...

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

Engineering

Resistiv Kontakta Fabrication Med hjälp av en fokuserad-ion Beam Teknik och elektrisk karakterisering för Layer Semiconductor nanostrukturer

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

Lager halvledare med lätt bearbetade tvådimensionella (2D) strukturer uppvisar indirekta till direkta bandgap övergångar och överlägsen transistor prestanda, vilket tyder på en ny riktning för utvecklingen av nästa generations ultratunna och flexibla fotoniska och elektroniska apparater. Förbättrad luminiscens DQE har i stor utsträckning observerats i dessa Atomically tunna 2D kristaller. Men dimensions effekter utöver kvantinneslutningstjocklekar eller ens på mikrometerskala förväntas inte och har sällan setts. I denna studie, molybden diselenid (Mosè 2) skikt kristaller med en tjockleksområdet 6-2,700 nm tillverkades som två- eller fyra-terminalanordningar. Ohmsk kontakt bildning uppnåddes framgångsrikt genom den fokuserade-jonstrålar (FIB) deponeringsmetod med platina (Pt) som en metallkontakt. Lager kristaller med olika tjocklekar framställdes genom enkel mekanisk peeling med hjälp tärning tejp. Ström-spänningskurvan measurements utfördes för att bestämma konduktivitetsvärdet hos skiktet nanokristaller. Dessutom högupplösande transmissionselektronmikroskopi selekterades-område elektron metri, och energi-dispersiv röntgenspektroskopi används för att karakterisera gränsytan mellan metall-halvledarkontakt av FIB-fabricerade Mosè 2 enheter. Efter det att de metoder, var den stora tjockleken beroende elektrisk ledningsförmåga i ett brett tjockleksområde för Mose 2 skiktet halvledare observerats. Ledningsförmågan har ökat med mer än två storleksordningar från 4,6 till 1.500 Ω - 1 cm - 1, med en minskning av tjockleken från 2700 till 6 nm. Dessutom är temperaturberoende ledningsförmåga indikerade att de tunna mose 2 multilager uppvisade avsevärt svag halvledande beteende med aktiveringsenergier av 3,5-8,5 meV, som är betydligt mindre än de (36-38 meV) av bulk. Probayt-dominanta egenskaper ble transport- och närvaron av en hög yta elektronkoncentrationen i Mosè 2 föreslås. Liknande resultat kan erhållas för andra skikt halvledarmaterial såsom MoS 2 och WS 2.

Introduction

Övergångsmetall dichalcogenides (TMDS), såsom MoS 2, Mosè 2, WS 2 och WSE 2, har en intressant två-dimensionell (2D) skiktstruktur och halvledande egenskaper 1-3. Forskare har nyligen upptäckt att monoskiktet struktur MoS 2 visar en väsentligen förbättrad Ijusemitterande effektivitet på grund av kvantinneslutning effekten. Upptäckten av det nya direkt bandgap halvledarmaterial har rönt stor uppmärksamhet 4-7. Dessutom är det lätt avskalade skiktstrukturen av TMDS en utmärkt plattform för att studera de grundläggande egenskaperna hos 2D material. Till skillnad från metalliska grafen utan bandgap, TMDS har inneboende halvledande egenskaper och har ett bandgap i området av 1-2 eV 1,3,8. 2D strukturer av ternära föreningarna enligt TMDS 9 och möjligheten att integrera dessa föreningar med grafen ger en aldrig tidigare skådad opplighet att utveckla ultratunna och flexibla elektroniska apparater.

Till skillnad från grafen, de rumstemperatur elektronrörlighet värden för 2D TMDS är på en måttlig nivå (1-200 cm 2 V - 1 sekund - 1 för MoS 10-17 Februari, cirka 50 cm 2 V - 1 sekund - en för Mose 2 18 ). De optimala rörlighet värden grafen har rapporterats vara högre än 10.000 cm 2 V - 1 sekund -. 19-21 januari Ändå halvledande TMD monoskikt uppvisar utmärkt enhet prestanda. Till exempel, MOS 2 och Mose 2 monoskikt eller flerskiktsfälteffekttransistorer uppvisar extremt höga on / off förhållanden, upp till 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. Därför är det viktigt att förstå de grundläggande elektriska egenskaperna hos 2D TMDS ochir bulkmaterial.

Emellertid studier av de elektriska egenskaperna hos skiktmaterialen har delvis hindras på grund av svårigheten i att bilda god ohmsk kontakt på skiktet kristaller. Tre metoder, skugga mask nedfall (SMD) 23, elektronstrålelitografi (EBL) 24,25 och fokuserad-jonstråle (FIB) nedfall, 26,27 har använts för att bilda elektriska kontakterna på nanomaterial. Eftersom SMD involverar typiskt användningen av en koppargaller som mask, är avståndet mellan två kontaktelektroder mestadels större än 10 | im. Till skillnad från EBL och FIB nedfall, metallbeläggning av elektroduppsättningar på ett substrat utförs utan inriktning eller välja nanomaterial av intresse i SMD-metoden. Detta tillvägagångssätt kan inte garantera att metallmönster är korrekt deponeras på enskilda nanomaterial som elektroderna. Resultatet av SMD-metoden har ett element av slump. EBL och FIB deponeringsmetoder används isvepelektronmikroskop (SEM) -systemet; nanomaterial kan observeras direkt och ut för elektrodavsättning. Dessutom kan EBL användas för att enkelt tillverka metallelektroder med en linjebredd och en kontaktelektrod avstånd mindre än 100 nm. Emellertid rest resist på nanomaterialet ytan kvar under litografi leder oundvikligen till bildning av ett isolerande skikt mellan metallelektroden och nanomaterialet. Således leder EBL till högt kontaktmotstånd.

Den största fördelen med elektrodtillverkning genom FIB nedfall är att det leder till lågt kontaktmotstånd. Eftersom metalldeponering utförs genom sönderdelning av en organometallisk prekursor genom användning av en jonstråle på det definierade området, metalldeponering och jonbombardemang sker samtidigt. Detta skulle kunna förstöra metallhalvledargränssnitt och förhindra bildning av Schottky-kontakt. Jonbombardemang kan också eliminera ytföroreningar såsom Hydrocarbons och nativa oxider, vilket minskar kontaktmotståndet. Ohmsk kontakt tillverkning genom FIB nedfallet har visats för olika nanomaterial 27-29. Dessutom är hela tillverkningsprocedur i FIB avsättnings tillvägagångssätt enklare än den i EBL.

Som skikt halvledare visar vanligtvis starkt anisotrop elektrisk ledning, är konduktiviteten i skiktet till skikt riktningen flera storleksordningar lägre än den i den i planet riktning 30,31. Denna egenskap ökar svårigheten att fabricera ohmska kontakter och att bestämma den elektriska ledningsförmågan. Därför, i denna studie FIB avsättning användes för att studera de elektriska egenskaperna hos skikt halvledarnanostrukturer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Strukturell karakterisering av Mosè 2 Layer Kristaller (se steg 1 i fig 1)

  1. XRD Measurement Procedure
    1. Montera en mose 2 lager kristall (med storleksintervallet 5 x 5 x 0,1 till 10 x 10 x 0,5 mm 3) eller kristallpulver (som blandades med kvarts pulver och bindemedel och smort på objektglas) på hållaren.
    2. Tryck hållaren genom ett objektglas för att säkerställa lager kristall yta parallell till innehavaren ytan.
    3. Ladda provhållaren i diffraktometer.
    4. Stäng dörrarna diffraktometer.
    5. Kalibrera balkraden tillverkarens anvisningar.
    6. Ingångs mätparametrar såsom 2 scan intervallet (10-80 °), ökningen (0,004 °), och uppehållstiden (0,1 sek).
    7. Starta DIFFRAC.Measurement Center-programmet på datorn ansluten till diffraktometern och sedan spara data och namn datafil enligt tillverkarens protokol.
    8. Analysera XRD mönstret genom att identifiera positioner diffraktionstopparna använda programvaran och sedan jämföra med standard data från JCPDS kort databas för att bekräfta enda out-of-plan orientering och enda kristallina kvaliteten på Mose 2 lager kristaller 32,33 .
  2. Micro-Raman mätning ordningen
    1. Utför utrustning kalibrering Raman med hjälp av en kiselskiva som standardprov. Mätningen av kiselskivan är densamma som proceduren som beskrivs nedan för den intresserade Mosè två skikt kristall.
    2. Montera en mose 2 lager kristall på objektglas.
    3. Ladda objektglas på innehavaren av optiskt mikroskop och fokusera provytan med en vit ljuskälla.
    4. Växla ljuskällan från ett vitt ljus till en laserstråle (våglängd på 514 nm).
    5. Ingångs mätparametrar såsom vågtalet scan intervallet (150-500 cm -1), den Integration tiden (10 sek), och antalet avsökningstider (10-30 gånger).
    6. Starta programmet på datorn ansluten till Raman spektrometer och sedan spara data och namn datafil enligt tillverkarens protokoll.
    7. Analysera Raman-spektrum genom att identifiera deras toppbredder och positioner med programmet och sedan jämföra med standarddata från hänvisningar till bekräfta kristallstrukturen typ och kvalitet på Mose 2 lager kristaller 34,35.

2. Tillverkning av mose 2 Layer nanokristall Devices

  1. Mekanisk exfoliering av Layer Kristaller
    1. Rengör pincett med aceton och alkohol.
    2. Välj mose 2 lager kristaller (4 till 8 st) med en blank yta (dvs spegelliknande kristall ansikte) och en storlek större än 0,5 x 0,5 mm 2 område med pincett och lägg dem på tärnings band med en storlek på område 20 x 60 mm 2.
    3. Vik bandet på mitten för att exfoliera lagret kristall och upprepa åtgärden ett tjugotal gånger. Vanligtvis lager kristaller kan isärplockade i många mikrometerstora kristaller i bredd (se steg 2 i figur 1).
    4. Ladda tärning bandet med skiktet nanokristall pulvret i SEM kammaren att iaktta storlekar och morfologier av dessa avskalade mose 2 lager mikrokristallisk. Om breddfördelningarna av skiktet nanokristall är på 1-20 um, kan nanokristallen pulvret uppfyller kriterierna för enheten tillverkning.
  2. Dispersion av Layer Nanokristaller på enhetsmallen
    1. Placera tärning bandet med skiktet nanokristallen pulvret upp och ner på mallen för enheten. Mallen är SiO 2 (300 nm) -belagd kiselsubstrat med sexton förmönstrade Ti (30 nm) / Au (90 nm) elektroder på SiO 2 yta (se steg 4 i figur 1). Området storlek mallen är 5 x 5 mm
    2. Tryck på tärnings bandet lätt att göra vissa nanokristaller (ungefär 10 till 100 stycken) faller på mallen.
    3. Kontrollera numret tätheten och spridning skick nanokristallen på mallen genom optiskt mikroskop eller ibland av SEM om spridda nanokristallerna kan inte observeras med optiskt mikroskop. Vanligtvis 2 till 5 stycken nanokristaller (område storlek större än 2 x 2 pm 2) utspridda på centrum torget (med en yta av 80 x 80 um 2) i mallen utan överlappning med varandra är bättre skick till nästa FIB bearbetning .
  3. Elektrod Fabrication av FIB
    1. Mount mallar på FIB hållaren med ledande kopparfolie tejp. Typiskt, var området av ledande band av 3 x 2,4 cm 2 som krävs för att montera 6-8 mallar.
    2. Ladda hållaren i FIB kammaren.
    3. Evakuera kammaren till vakuumgrad ner till 10 -5 mbar genom att klicka på knappen"Pump".
    4. Ställ elektronstråleströmmen (41 pA) och accelerationsspänning (10 kV) för SEM-läget.
    5. Ställ in jonström (0,1 nA) och accelerationsspänning (30 kV) för FIB-läget.
    6. Värm upp jonstrålens systemet och gas-insprutningssystem (GIS) genom att klicka på knappen "strålen på" och knappen "Cold" i "Gas Injection" block, respektive.
    7. Slå på elektronstråle genom att klicka på knappen "Beam On" och fokusera bilden på en låg förstoring av 100X.
    8. Ställ z-axiella arbetsavstånd (WD) vid 10 mm för SEM-läge.
    9. Ställ in förstoringen på 5,000X och fokusera.
    10. Ställ in lutningsvinkel igar till 52 grader genom att klicka på knappen "Navigation" och mata in lutningsvinkeln "52".
    11. Välj ett Mosè två skikt nanokristall med en viss tjocklek (som sträcker sig från 5 till 3000 nm) och en rektangulär och fyrkantig form för elektroden fabricaning.
    12. Ta SEM-bilder vid olika förstoringar (från 1,000X till 10000) av den riktade orörda materialet innan elektrodtillverkning genom att klicka på knappen "Snapshot".
    13. Växla till fib läget och ta en FIB bild av ögonblicksläge för att minska exponeringstiden av de riktade materialet under jonstråle bombardemang.
    14. Definiera elektroddeponeringsområdet, välj "Pt nedfall" -läge, och mata in tjocklek (0,2-1,0 pm) värdet av den avsatta Pt-elektrod.
    15. Införa kapillär GIS in i kammaren genom att klicka på rutan "Pt DEP" i "Gas Injection" block.
    16. Ta en bild av ögonblicksläge igen och ändra placeringen av elektroderna om det ursprungligen definierat mönster skiftar något.
    17. Slå på FIB avsättningen genom att klicka på knappen "Start mönstring".
    18. Efter avsättning, dra kapillär GIS tillbaka genom unclicking rutan "Pt dep "i" Gas Injection "block.
    19. Växla till SEM-läge och kontrollera resultatet av de deponerade Pt elektroderna på lagret nanokristallen.
    20. Ta SEM-bilder vid olika förstoringar av de färdiga enheter med två eller fyra elektroder (se steg 3 i figur 1).
    21. Ställ in lutningsvinkel innehavaren återvända till 0 grader genom att klicka på knappen "Navigation" och mata in lutningsvinkeln "0".
    22. Ta topp tittade SEM-bilder på olika förstoringar för uppskattningar av materialet bredd och elektrod mellan avstånd genom att klicka på knappen "Snapshot".
    23. Stäng av elektronstråle och jonstråle system och svalna GIS-system genom att klicka på knappen "Beam Off" och knappen "Warm" i "Gas Injection" block, respektive.
    24. Ventilera kammaren genom att införa kvävgas genom att klicka på knapparna "Vent" och sedan ta innehavarenut ur kammaren. Det tar vanligtvis 5 till 10 minuter för att avsluta ventilationsprocessen.
    25. Stäng kammardörren och evakuera kammaren.

3. karakteriseringar av mose 2 Layer nanokristall-enheter

  1. Tjocklek Mätning av Layer Nanokristaller av AFM
    1. Installera AFM fribärande till sondhållaren.
    2. Slå på AFM-programmet och välj "ScanAsyst" -läge.
    3. Ladda sondhållaren och anslut den med laserdiod chef för AFM station.
    4. Utför kalibreringen för att rikta den infallande laserstrålen positionen och den fribärande enligt tillverkarens protokoll.
    5. Montera provet (mallen chip med FIB tillverkade lager nanocrystal enheter) på provhållaren genom Cu folie tejp.
    6. Ladda provhållaren till AFM stationen.
    7. Flytta provhållaren till läget ungefär under laserstrålen eller AFM cantilever.
    8. Sänk ner AFM fribärande till fokuspositionen genom att fokusera optiskt mikroskop bild av lagret nanokristallen.
    9. Input scan parametrar såsom skanningsområdet (6 x 30/6 x 30 um 2), frekvensen (0,5-1,5 Hz), och upplösningen (256-512 linjer).
    10. Starta programmet och spara data i enlighet med tillverkarens protokoll.
    11. Höj AFM fribärande och ta provhållaren.
    12. Ladda det andra provet och upprepa mätningen förfarande som beskrivs ovan vid behov.
    13. Uppskatta tjockleken på lager nanokristaller genom att analysera AFM bilden och höjdprofil med programvaran "Nanoscope Analysis". Välj en sidoprofilhöjd från AFM bilden och fastställa den genomsnittliga tjockleksvärdet utifrån Flatten område av profilen. (Se figur 2d och 2e)
  2. Ström kontra spänning (IV) mätning av skiktnanokristaller
    1. Monteraprovet (mallen chip med FIB tillverkade lager nanocrystal enheter) på glimmer substratet genom Cu folie tejp.
    2. Binda de emaljerade trådar eller Cu kablar på elektroderna chipet av Ag pasta. (Se steg 4 i figur 1.)
    3. Ladda den färdiga provet i sond station kammaren och fixa det på provhållaren av Cu folie tejp. Den kryogena sond stationen var belägen i mörk miljö. (Se steg 5 i figur 1.)
    4. Löd de elektriska ledningarna hos provet och metallelektroderna av proberna en efter en.
    5. Cap kammar toppen och evakuera kammaren ned till 10 -4 mbar. Kyl ner provet till 77 K genom att införa flytande kväve i sondstationen. Ställ temperaturområdet (vanligen från 80 till 320 K), intervall, och uppehållstid för temperaturregleringen. (Nödvändigt endast för temperaturberoende mätning).
    6. Ställ den pålagda spänningen svepande område (typiskt från -1 till 1 V) spännings integrerval (0,01 V), och den begränsade maximal ström (10 eller 100 | iA) i en ultrahög impedans multifunktionell elektrometer för två-terminala IV mätning. För fyra-terminal mätning, ställ in pålagda strömmen svepande intervall (typiskt från -100 till 100 pA) och nuvarande intervall (1 pA).
    7. Starta programmet och spara IV data vid rumstemperatur eller vid olika temperaturer.
    8. Öppna kammarlocket om så är nödvändigt och ta provet ut ur kammaren.
    9. Ladda andra provet vid behov och upprepa proceduren som beskrivits ovan.
    10. Analysera IV kurva genom att markera den uppmätta strömmen kontra tillämpade spänning data med hjälp av programvaran. Montera IV kurvan genom att välja Linear Fitting funktion. Kontrollera lineariteten hos IV-kurvan och erhålla lutningsvärdet (dvs. konduktans värde). (Se steg 6 i figur 1.)
    11. Upprepa steg 3.2.10 för IV kurvor measured vid olika temperaturer vid behov.
    12. Beräkna konduktiviteten (σ) värde enligt ekvationen σ = G (t / tw) genom att anta de parametrar som erhållits genom IV, SEM och AFM mätningar inklusive ledningsförmågan (G), tjocklek (t), bredd (w) och längd ( l) av skiktet nanokristallen.
    13. Plotta kurvorna i konduktansen och konduktivitetsvärdena kontra tjocklek av skiktnanokristaller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De bestämda värdena för den elektriska konduktansen (G) och konduktivitet (σ) av skiktnanomaterial med olika tjocklekar är i hög grad beroende på kvaliteten hos de elektriska kontakterna. De ohmska kontakterna för FIB-avsättningstillverkade två-terminala mose 2 enheter kännetecknas genom mätning av den ström-spänning (I - V) kurvan. De rumstemperatur I - V-kurvor för två-terminala Mose 2 nanoflake enheter med olika tjocklekar visas i figur 2a. De I - V-kurvorna följer ett linjärt förhållande. Detta bekräftar den ohmska kontakten skick Mose 2 enheter.

. Partiella enheter med fyra elektroder framställdes för att ytterligare utesluta den potentiella effekten av kontaktmotståndet Figur 2b illustrerar den typiska I - V kurvor mätt med två-electrode och fyra-elektrodmetoder vid rumstemperatur för samma nanoflake med en tjocklek på 33 nm. De beräknade o värdena för de två-sond och fyra sond mätningar vid 117 och 118 Ω - 1 cm - 1, respektive. Eftersom o-värden som beräknats med hjälp av två-sond och fyra sond mätningar för samma enheter var mycket likartade, påverkan av kontaktmotstånd på bestämda G och o värden i denna studie var försumbar. Figurerna 2c och 2d illustrerar representativa fältemissions svepelektronmikroskop (FESEM) bilder av de två-terminala och fyra terminal Mose 2 enheter, respektive. Tjockleken hos Mosè 2 nanoflakes på enheterna uppskattades med användning av atomkraftsmikroskopi (AFM) mätningar; en provmätning visas i fig 2e och 2f.

Metall-halvledar gränssnittet för den elektriska kontakten i Mose 2 enheter undersöktes ytterligare med hjälp av högupplösande transmissionselektronmikroskop (HRTEM), valt området elektron diffraktometri (SAED), och energiröntgenspektroskopi (EDX). Figur 3a visar tvärsnitts transmissionselektronmikroskopi (TEM) bild av Pt / Mosè två gränssnitt. Bilden visar att ett legeringsskikt (25-30 nm) bildades mellan Pt och Mose 2 på grund av jonstrålen bombardemang. HRTEM bilder av legeringen / mose två gränssnitt (spot 4, Figur 3b) och Mosè 2-regionen (fläck 3, Figur 3c) visar en amorf legering bildas vid ytan av en enda kristall MOSE 2.

EDX spektrum och ringmönster SAED i figur 3d visar att Pt är huvudbeståndsdelen och att metallelektrod har en polykristallin struktur. Liknande mätningar, Som visas i figur 3e, indikerade en jon-bombarderade legering med en amorf liknande struktur och innehåller en blandning av Mo, Se, och Pt i ett förhållande av 2: 4: 1. Den enda kristall Mose 2 nanoflake bekräftades ytterligare av EDX och SAED mätningar, som visas i figur 3f.

För den ohmska kontakten tillverkad med användning FIB avsättningsförfarandet, i Mosè 2 skiktsnanostrukturer med olika tjocklekar, G och a värden kan bestämmas exakt. Figur 4a visar de statistiska G-värden för Mosè 2 nanoflakes med olika tjocklekar. Det kan observeras att den G-värdet inte visar en observerbar förändring eller en förändring i tjocklek över två storleksordningar. Denna observation är motsatt teoretiska förutsägelser, enligt vilken G är linjärt beroende av tjockleken (t) för en likformig strömflöde och är wrIttens som

Ekvation 1

Där A är arean för strömtransport, och L, W och T är längden, bredden och tjockleken hos ledaren, resp.

. Det σ värdet kan erhållas med användning av ekvation (1) Figur 4b visar konduktiviteten som en funktion av tjockleken (σ - t). Värdet av o ökar med mer än två storleksordningar, från 4,6 till 1500 Ω - 1 cm - 1 när t minskar från 2700 till 6 nm. Ett omvänt power-lag σ ∞ t - β erhålls där monterade β värdet är 0,93. De o-värden (0,1-1 co - 1 cm - 1) 36-38 (t: 10-100 um) är också belägna på den anpassade linjen.

I princip är σ en inneboende egenskap utan några dimensionseffekterna. Den starka tjockleksberoende σ innebär att strömledning sker huvudsakligen vid ytan av mose två skiktmaterialet. Om ytan ledningsbanan är flera storleksordningar högre än bulk, inte ökar G-värdet och ökar till en konstant, även om tjockleken ökar.

Figur 1
Figur 1:. Förfarande för enheten tillverkning och elektrisk karakterisering av Mose 2 nanoflakes Steg 1: Morfologiska och strukturella karakterisering av Mose 2 bulkskikt kristallerna genom XRD och Raman-spektroskopi. Steg 2:Mekanisk peeling av bulklager kristallerna genom tärning tejp och observera morfologin hos avskalade flingor av FESEM. Steg 3: Elektrod tillverkning av nanoflakes av FIB Pt nedfall. Steg 4: Slutför enheten genom att montera prov chip på glimmer substrat och limning lackerad tråd på elektroderna chipet av Ag pasta. Steg 5: Ladda provet i det kryogeniska sondstationen. Steg 6: Utför I - V mätning och analysera data.

Figur 2
Figur 2: I - V kurvan, FESEM och AFM mätningar för två- och fyra terminal Mose 2 nanoflake enheter (a) I - V-kurvor som mäts av två sondmetoden vid rumstemperatur för Mose 2 nanoflakes.med olika tjocklekar på 11, 240 och 1300 nm. (B) I - V-kurvor som mäts av de två-sond och fyra-sondmetoder vid rumstemperatur för en Mosè 2 nanoflake med en tjocklek på 33 nm. De representativa FESEM bilder av (c) två-terminal och (d) de fyra terminal Mose 2 enheter tillverkade av FIB strategi. (E) En typisk AFM bild och (f) dess tvärsnittshöjdprofil längs den blå linjen i (e) för en Mose 2 enhet med tjockleken på ~ 60 nm. (Återges med tillstånd från ref. 28 Copyright @ The IOP Publishing Ltd)

Figur 3
Figur 3: HRTEM, SAED och EDX analyser för Pt / Mose 2-gränssnittet i enheten (. a) Tvärsnitts TEM bild av platinametall / Mosè två halvledar gränssnitt i Mosè 2 nanoflake anordning (t ~ 110 nm) tillverkas genom FIB tillvägagångssätt. De numeriska etiketter anger de olika prob regioner för HRTEM, SAED och EDX analyser. 1: Pt metallelektrod, 2: ion-bombarderade legering region, 3: Mose 2 flerskiktade, och 4: alu / Mose 2 gränssnitt. Den HRTEM bilden av (b) legering / Mosè två gränssnitt (fläck 4) och (c) Mosè 2-regionen (fläck 3). EDX spektra och motsvarande SAED mönster för (d) Pt elektroden (spot 1), (e) legeringen region (spot 2), och (f) Mose 2 nanoflake (spot 3), respektive. (Återges med tillstånd från ref. 28 Copyright @ The IOP Publishing Ltd)

jpg "width =" 550 "/>
Figur 4:. Tjocklek beroende ledningsförmåga i Mosè 2 nanoflakes (a) Den elektriska konduktansen och (b) den log-log-plot av den elektriska ledningsförmågan värdena för Mosè 2 nanoflake med olika tjocklekar varierade från 6 till 2700 nm vid mätning genom två- sond (blått fast stjärna) och fyra-prob (blå öppen stjärna) metoder. Konduktivitetsvärdena för mose 2 bulkkristaller erhållna genom våra mätningar (grön öppen cirkel) och från referenserna också plottas för jämförelse. Mose 2 bulks utan tjockleks informationen i ref. 32, 33, 34 antas vara högre än 10 | j, m och deras konduktivitetsnivåer representeras av gröna pilar. Den röda streckade linjen är passande linjen för konduktiviteten kontra tjockleksdata för Mose 2 nanoflakes. (Återges med tillstånd från ref. 28 Copyright @ The IOP Publishing Ltd)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den noggranna bestämningen av σ värdet och dess dimension beroende i skiktnanokristaller är mycket beroende av kvaliteten på de elektriska kontakterna. FIB nedfall metod som används för metallelektrod nedfall spelat en avgörande roll under hela studien. Enligt elektriska, strukturella, och sammansättningsanalyser, tillverkning av stabila och höggradigt reproducerbara ohmska kontakter, med användning av FIB-avsättningsförfarande, i Mosè 2 eller MoS2-enheter underlättades genom bildandet av den amorfa ledande legering mellan platinametall och MOSE 2 skikt halvledare. Den defekta legeringsstrukturen vid Mosè 2 yta som uppvisar en hög bärardensitet kunde effektivt minimera effekten av Schottky-kontakt. De ytföroreningar hos halvledare, såsom nativa oxider och kolväten, som i allmänhet anses härstamma från det isolerande skiktet mellan metallen och halvledarkontakter, Kan elimineras genom jonstråle bombardemang. Elimineringen kan förklara den låga kontaktmotstånd i FIB-avsättningstillverkade lager kristallanordningar.

Även den experimentella FIB nedfall metod ger tillförlitliga ohmska kontakter för elektrodtillverkning av skikthalvledarnanostrukturer, den minimala avståndet mellan metallelektroderna var begränsad. Det kontrollerades att vara över 1 ^ m i denna studie. Den främsta orsaken till begränsningen är att FIB avsatta metallelektrod saknar tydliga kanter och skarpa sidoväggar på grund av den Gauss-fördelning av jonstrålens flöde i den radiella riktningen. Avsaknaden av tydliga kanter och skarpa sidoväggar kan resultera i material ytkontaminering och en elektrisk kortslutning om två elektroder är avsatta för nära varandra (typiskt närmare än 500 nm).

Dessutom, materialbearbetning i jonstrålen miljön oundvikligen skadar materialets yta, leading till en förändring av de inneboende materialegenskaper. För att undvika eventuella skador på materialytan genom jonstrålen under FIB nedfall, försökte vi att minimera den tid jonstrålen exponering. Typiskt, de flesta av stegen i förfarandet (inklusive val av lämpliga nanokristaller, kartlägga läget, och spela in bilder) var inledningsvis göras i SEM-läge; Därefter fick läget till FIB läget. Därför var provytan utsatt för jonstrålen för en betydligt kortare tid (i ögonblicksläge), vilket motsvarade den tid det tar för drift vid FIB-läge för att identifiera Pt avsatt områden. Dessutom kan ytskydd åstadkommas genom att belägga ett isolerande organiskt material (såsom bathocuproine) på lagret nanokristallen före FIB-deponering (som inte nämns i protokollet).

EBL, som är den mest använda metoden, kan ge en mycket mindre avstånd mellan elektroderna (kortare än 100 nm) jämfört med FIBdeposition. Risk för skador på de studerade materialen kan förebyggas med hjälp av EBL. Emellertid kräver EBL användningen av en resist. Eftersom den fullständigt avlägsnande av resisten belagd på materialytan är svårt, den kvarvarande resist kan resultera i högt kontaktmotstånd mellan metallkontakten och det studerade materialet. Detta problem minskar utbytet av ohmska kontakter avsevärt och försvårar användningen av EBL som en mikrotillverkningsmetod. Därför kan FIB-tekniken vara ett bra val för mikroelektrod tillverkning med tillförlitlig och reproducerbar ohmsk kontakt utöver EBL.

Men i denna studie endast den minimala tjockleken av Mosè två skikt materialet når 6 nm (ca 9-10 monoskikt). Den elektriska kontakten kvalitet för den ultratunna skiktmaterial med en tjocklek mindre än 5 monoskikt är fortfarande okänd. Det förväntas att kontaktytan i ultratunna skiktmaterialen kan vara helt legeras eftersom Pt-Mo-Se legeringtjocklek (25-30 nm) inducerad av jonbombardemanget är högre än materialtjockleken. Ytterligare arbete krävs fortfarande för att utveckla legerings effekt på den ohmska kontakten fastigheten med hjälp av FIB strategi.

I själva verket var FIB nedfall metod som utvecklats främst för material fräsning eller etsning på mikrometer och nanometer skalor. Metallavsättning är endast en förlängd användning av metoden för beläggning eller skyddande materialytor. Men i den här rapporten, har FIB nedfall metod som används för ohmsk kontakt tillverkning i lager halvledarnanostrukturer. Observationen av tjockleken effekt på transportegenskaper i dessa 2D nanomaterial underlättades genom användning av FIB deponeringsmetod. Elektrod tillverkning på mikrometer eller submikrometer skala med tillförlitlig ohmsk kontakt kvalitet har varit en utmaning och är avgörande för en mängd olika tillämpningar, såsom grundläggande elektrisk karakterisering av nanomaterial, eliminering av kontakt resistansdelse för elektronisk enhet, och lokal metallisering av materialytor. Demonstrationen av mikrotillverkning på lager nanomaterial med hjälp av FIB deponeringsmetoden kan fungera som en viktig och användbar referens för framtida forskare och ingenjörer i den akademiska världen och industrin.

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 fokuserad-jonstrålar (FIB) ohmsk kontakt lager halvledare molybden diselenid (MOSE Molybdendisulfid (MoS Elektrisk ledningsförmåga atomkraftsmikroskopi (AFM) högupplösande transmissionselektronmikroskop (HRTEM) valt området elektron diffraktometri (SAED) energiröntgenspektroskopi (EDX)
Resistiv Kontakta Fabrication Med hjälp av en fokuserad-ion Beam Teknik och elektrisk karakterisering för Layer Semiconductor nanostrukturer
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