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Engineering

Ohmsche Kontakt Fabrication unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahl-Technik und Elektrische Charakterisierung für Layer-Halbleiter-Nanostrukturen

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

Schicht Halbleiter mit leicht verarbeitet zweidimensionale (2D) Strukturen aufweisen indirekten zu direkten Bandlückenübergänge und überlegene Transistorleistung, die eine neue Richtung für die Entwicklung der nächsten Generation von ultradünnen und flexiblen photonischen und elektronischen Geräten vor. Verbesserte Lumineszenzquantenausbeute wurde weit verbreitet in diesen atomar dünnen 2D-Kristallen beobachtet. Allerdings sind Dimension Wirkungen über Quanten-Confinement-Dicken oder sogar auf der Mikrometerskala nicht erwartet und wurden selten beobachtet. In dieser Studie Molybdändiselenid (MoSe 2 Schicht) Kristalle mit einer Dicke im Bereich von 6-2,700 nm als Zwei- oder Vier-Anschluß-Vorrichtungen hergestellt wurden. Ohmsche Kontaktbildung wurde erfolgreich durch den fokussierten Ionenstrahl (FIB) Abscheidungsverfahren unter Verwendung von Platin (Pt) als Kontaktmetall erreicht. Schicht-Kristalle mit verschiedenen Dicken wurden durch einfache mechanische Peeling mit Hilfe Vereinzelungsfolie hergestellt. Strom-Spannungskurve Messung!ts wurden durchgeführt, um die Leitfähigkeit der Schicht-Nanokristalle zu bestimmen. Darüber hinaus hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie, ausgewählt Bereichselektronenbeugung und Energiedispersive Röntgenspektroskopie wurden verwendet, um die Schnittstelle des Metall-Halbleiter-Kontakt der FIB fertigter MoSe 2 Geräte charakterisieren. Nach dem Aufbringen der Ansätze wurde die wesentliche Dicke abhängigen elektrischen Leitfähigkeit in einem breiten Dickenbereich für die MoSe 2 -Schicht Halbleiter beobachtet. Die Leitfähigkeit um mehr als zwei Größenordnungen von 4,6 erhöht, um 1.500 Ω - 1 cm - 1, mit einer Abnahme in der Dicke von 2,700 bis 6 nm. Darüber hinaus zeigte die temperaturabhängige Leitfähigkeit, dass die dünnen MoSe 2 Multischichten zeigten deutlich schwach halbleitendes Verhalten mit Aktivierungsenergien von 3,5 bis 8,5 meV, was beträchtlich kleiner als jene (36-38 meV) des Schütt sind. Probable oberflächen dominant Transporteigenschaften und die Anwesenheit einer hohen Oberflächenelektronenkonzentration in MoSe 2 vorgeschlagen. Ähnliche Ergebnisse können für andere Schicht Halbleitermaterialien, wie MoS 2 und WS 2, erhalten werden.

Introduction

Übergang Metalldichalcogenide (TMD), wie MoS 2, MoSe 2, WS 2 und WSe 2, haben eine interessante zweidimensionale (2D) Schichtstruktur und Halbleitereigenschaften 1-3. Forscher haben kürzlich entdeckt, dass die Monostruktur von MoS 2 zeigt eine wesentlich verbesserte Effizienz der Lichtemission aufgrund der Quantenbegrenzungseffekt. Die Feststellung des neuen direkten Bandlücke-Halbleitermaterial hat erhebliche Aufmerksamkeit 4-7 angezogen. Darüber hinaus ist die leicht abgestreift Schichtstruktur der TMDs eine hervorragende Plattform für die Untersuchung der grundlegenden Eigenschaften von 2D-Materialien. Im Gegensatz zu metallischen Graphen ohne die Bandlücke haben Schwingungstilger inhärent halbleitende Eigenschaften und eine Bandlücke im Bereich von 1-2 eV 1,3,8. Die 2D-Strukturen der ternäre Verbindungen TMDS 9 und der Möglichkeit einer Integration dieser Verbindungen mit Graphen stellen eine beispiellose opportunity um ultradünne und flexible elektronische Geräte zu entwickeln.

Im Gegensatz zu Graphen, sind die Raumtemperatur Elektronenbeweglichkeit Werte der 2D TMDs in mäßiger Lautstärke (1-200 cm 2 V - 1 s - 1 für MoS Februar 10-17, ca. 50 cm 2 V - 1 s - 1 für Mose 2 18 ). Die optimale Bewegungswerte von Graphen ist berichtet worden, höher als 10.000 cm 2 V - 1 Sek. - 19-21 Januar Dennoch halb TMD Monoschichten weisen eine ausgezeichnete Leistung der Vorrichtung. Zum Beispiel können die MoS 2 und MoSe 2 Monolagen oder Multilayer-Feldeffekttransistoren zeigen extrem hohe Ein- / Aus-Verhältnisse von bis zu 10 6 bis 10 9 10,12,17,18,22. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, um die grundlegenden elektrischen Eigenschaften der 2D TMDs und zu verstehen, dieir Schüttgut.

Jedoch Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften der Schichtmaterialien wurden teilweise aufgrund der Schwierigkeit bei der Bildung von guten ohmschen Kontakt auf der Schicht Kristalle behindert. Drei Ansätze, Schattenmaskenabscheidung (SMD) 23, Elektronenstrahllithographie (EBL) 24,25 und fokussierten Ionenstrahl (FIB) Abscheidung 26,27 verwendet worden, um elektrische Kontakte an Nanomaterialien zu bilden. Da SMD beinhaltet typischerweise die Verwendung einer Kupfergitter als Maske, der Abstand zwischen zwei Kontaktelektroden zumeist mehr als 10 um. Im Gegensatz EBL und FIB Abscheidung, Metallabscheidung von Elektroden-Arrays auf einem Substrat ohne Targeting oder Auswählen Nanomaterialien von Interesse in dem SMD-Verfahren durchgeführt. Dieser Ansatz kann nicht garantieren, dass die Metallmuster korrekt auf einzelne Nano als Elektroden abgeschieden. Das Ergebnis der SMD Methode hat ein Element des Zufalls. Die EBL und FIB Abscheidungsverfahren sind in der verwendeteRasterelektronenmikroskopsystem (SEM); Nanomaterialien können direkt beobachtet und für Elektrodenabscheidung gewählt werden. Zusätzlich kann EBL verwendet, um einfach zu fertigen Metallelektroden mit einer Linienbreite und einem Kontaktelektrodenabstand kleiner als 100 nm ist. Das restliche Resist jedoch auf der Oberfläche während der Nanolithographie unweigerlich zur Bildung einer isolierenden Schicht zwischen der Metallelektrode und des Nanomaterials überlassen. Somit führt EBL hohen Kontaktwiderstand.

Der Hauptvorteil der Elektrodenherstellung durch FIB Abscheidung ist, dass es um einen geringen Kontaktwiderstand führt. Weil Metallabscheidung wird durch die Zersetzung einer metallorganischen Vorläufers durch Verwendung eines Ionenstrahls auf den definierten Bereich durchgeführt wird, eine Metallabscheidung und Ionenbeschuss gleichzeitig auftreten. Dies könnte das Metall-Halbleiter-Grenzfläche zerstört und die Bildung von Schottky-Kontakt. Ionenbeschuß können Oberflächenverunreinigungen, wie beispielsweise Kohlenwasser beseitigenbons und native Oxide, die Kontaktwiderstand verringert. Ohmsche Kontaktherstellung durch FIB Abscheidung wurde für verschiedene Nanomaterialien 27-29 nachgewiesen. Darüber hinaus ist das gesamte Herstellungsverfahren in der FIB Abscheidungs ​​Ansatz einfacher ist als die in EBL.

Wie Schichthalbleiter zeigen typischerweise stark anisotropen elektrischen Leitfähigkeit ist die Leitfähigkeit in der Schicht-zu-Schicht-Richtung mehrere Größenordnungen niedriger als der in der in der Ebene liegenden Richtung 30,31. Dieses Merkmal erhöht die Schwierigkeit der Herstellung ohmscher Kontakte und zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit. Daher wird in dieser Studie FIB Abscheidung wurde für die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften der Schicht Halbleiternanostrukturen eingesetzt.

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Protocol

1. strukturelle Charakterisierung MoSe 2 Layer Crystals (siehe Schritt 1 in Abbildung 1)

  1. XRD-Messverfahren
    1. Mount ein MoSe 2 Schicht-Kristall (mit einem Größenbereich von 5 x 5 x 0,1-10 x 10 x 0,5 mm 3) oder Kristallpulver an der Halterung (die mit Quarzpulver und einem Bindemittel gemischt wurde, und wurde auf dem Objektträger geschmiert).
    2. Drücken Sie die Halterung durch einen Objektträger zur Schichtkristallfläche parallel zu der Halteroberfläche zu gewährleisten.
    3. Laden Sie den Probenhalter in die Diffraktometer.
    4. Schließen Sie die Türen des Diffraktometers.
    5. Kalibrieren Strahllinie entsprechend den Anweisungen des Herstellers.
    6. Eingangsmessparameter, wie die 2-Scan-Bereich (10-80 °), das Inkrement (0.004 ° C) und die Verweilzeit (0,1 sec).
    7. Starten Sie den DIFFRAC.Measurement Center-Programm auf dem Computer auf das Diffraktometer angebracht und speichern Sie Daten und Namen-Datendatei nach Hersteller protocol.
    8. Analysieren Sie den XRD-Muster durch die Identifizierung der Positionen der Beugungspeaks mit der Software und dann vergleichen mit dem Standard-Daten aus JCPDS-Karte-Datenbank, um die Einzel out-of-plane-Orientierung und einkristallinen Qualität der MoSe 2-Schicht-Kristallen 32,33 Bestätigung .
  2. Mikro-Raman-Messverfahren
    1. Führen Sie die Raman-Geräte Kalibrierung mit einem Silizium-Wafer als der Standardprobe. Die Messung der Siliziumwafer ist das gleiche wie das nachfolgend für die interessierten MoSe 2 -Schicht Kristall beschriebenen Vorgehensweise.
    2. Montieren Sie einen MoSe 2-Schicht-Kristall auf dem Objektträger.
    3. Laden der Objektträger auf dem Halter des optischen Mikroskops und sich die Probenoberfläche mit einer weißen Lichtquelle.
    4. Schaltet die Lichtquelle eine Weißlicht einem Laserstrahl (Wellenlänge 514 nm).
    5. Eingangsmessparameter, wie die Wellenzahl Scanbereich (150-500 cm -1), die inteation Zeit (10 sec), und die Anzahl von Abtastzeiten (10-30 mal).
    6. Startet das Programm auf dem Computer zu dem Raman-Spektrometer angebracht und dann Daten und Namen-Daten-Datei entsprechend dem Protokoll des Herstellers zu speichern.
    7. Analysieren Sie den Raman-Spektrum durch die Identifizierung ihrer Peakbreiten und Positionen mit der Software und dann mit Standard-Daten zu vergleichen, von Verweisen auf die kristalline Struktur Art und Qualität der MoSe 2-Schicht-Kristallen 34,35 bestätigen.

2. Herstellung von MoSe 2 Layer Nanokristall-Geräte

  1. Mechanische Exfoliation von Layer Crystals
    1. Saubere Pinzette mit Aceton und Alkohol.
    2. Wählen Sie die MoSe 2 Schicht Kristalle (4-8 Stück) mit einer glänzenden Oberfläche (dh spiegelartige Kristallfläche) und eine Fläche größer als 0,5 x 0,5 mm 2 mit der Pinzette und legte sie auf das Schneidband mit einer Fläche Größe 20 x 60 mm 2 aufweist.
    3. Falten Sie das Band in der Mitte, um die Schicht Kristall Peeling und wiederholen Sie die Aktion rund zwanzig Mal. In der Regel können Schicht Kristalle in viele mikrometergroße Kristalle in der Breite (siehe Schritt 2 in Abbildung 1) abgezogen werden.
    4. Laden Sie die Vereinzelungsfolie mit der Schicht-Nanokristall-Pulver in die REM-Kammer, die Größen und Morphologien dieser abgestreift MoSe 2 Mikrokristallschicht zu beobachten. Wenn die Breite Verteilungen der Nanokristallschicht sind 1-20 & mgr; m, kann die Nanokristall-Pulver die Kriterien für die Bauelementherstellung zu erfüllen.
  2. Dispersion der Schicht-Nanokristalle auf dem Device Template
    1. Legen Sie die Vereinzelungsfolie mit der Schicht-Nanokristall-Pulver der Oberseite nach unten auf der Gerätevorlage. Die Schablone ist SiO 2 (300 nm) beschichteten Silizium-Substrat mit sechzehn vorstrukturierten Ti (30 nm) / Au (90 nm) Elektroden auf der SiO 2 -Oberfläche (siehe Schritt 4 in Abbildung 1). Die Flächengröße der Vorlage 5 x 5 mm
    2. Tippen Sie auf das Schneidband leicht, um einige Nanokristalle (etwa 10 bis 100 Stück) fallen, die auf der Vorlage zu machen.
    3. Überprüfen Sie die Anzahl Dichte und Dispersionszustand des Nanokristalls auf der Schablone mit einem optischen Mikroskop oder manchmal durch SEM, wenn die dispergierten Nanokristalle können von optischen Mikroskop beobachtet werden. Regel 2 bis 5 Stück von Nanokristallen (Fläche größer als 2 x 2 & mgr; m 2) ohne Überlappung miteinander verteilt auf der Mitte Platz (mit einer Fläche von 80 x 80 & mgr; m 2) der Schablone sind die besseren Zustand für die nächste FIB Verarbeitung .
  3. Elektrodenherstellung von FIB
    1. Berg-Vorlagen auf dem FIB Halter mit leitenden Kupferfolie Band. Typischerweise wurde die Fläche leitende Band von 3 x 2,4 cm 2 zur Montage 6-8 Templates erforderlich.
    2. Laden Sie den Halter in die FIB Kammer.
    3. Evakuieren Sie die Kammer mit dem Vakuum bis 10 -5 mbar durch Anklicken der Schaltfläche"Pumpe".
    4. Set des Elektronenstrahlstroms (41 pA) und Beschleunigungsspannung (10 kV) für die SEM-Modus.
    5. Stellen Sie die Ionenstrahlstrom (0,1 nA) und Beschleunigungsspannung (30 kV) für das FIB-Modus.
    6. Aufwärmen der Ionenstrahlanlage und Gas-Injektionssystem (GIS), indem Sie auf die Schaltfläche "Strahl auf" und die Schaltfläche "Cold" in der "Gas Injection" Block auf.
    7. Schalten Sie den Elektronenstrahl durch Anklicken des Buttons "Beam On" und stellen Sie das Bild mit einer niedrigen Vergrößerung von 100X.
    8. Stellen Sie die Z-Achsen-Arbeitsabstand (WD) bei 10 mm für die SEM-Modus.
    9. Stellen Sie die Vergrößerung bei 5.000-facher und konzentrieren.
    10. Stellen Sie den Neigungswinkel des Halters, um 52 Grad durch Anklicken der Schaltfläche "Navigation" und Eingabe der Neigungswinkel "52".
    11. Auswählen MoSe 2 Schicht-Nanokristall mit einer bestimmten Dicke (im Bereich von 5 bis 3000 nm) und eine rechteckige und quadratische Form für die Elektroden fabrication.
    12. Nehmen Sie die REM-Bilder mit unterschiedlicher Vergrößerung (von 1,000x zu 10.000fach) der gezielte unberührten Material vor dem Elektrodenherstellung, indem Sie auf die Schaltfläche "Snapshot".
    13. Wechseln Sie in den FIB-Modus und nehmen Sie eine FIB Bild von der Snapshot-Modus, um die Belichtungszeit der Zielmaterial unter Ionenstrahlbeschuss senken.
    14. Definieren Sie die Elektrodenablagerungsbereich, wählen Sie die "Pt deposition" Modus, und geben Sie die Dicke (0,2-1,0 um) Wert des abgeschiedenen Pt-Elektrode.
    15. Führen Sie die Kapillare von GIS in die Kammer durch Anklicken des Kästchens "Pt dep" in der "Gas Injection" Block.
    16. Nehmen Sie ein Bild von der Snapshot-Modus erneut und ändern Sie die Position der Elektroden, wenn die ursprünglich festgelegten Muster verschiebt sich leicht.
    17. Schalten Sie das FIB Abscheidung, indem Sie auf die Schaltfläche "Start Patterning".
    18. Nach der Abscheidung, ziehen die Kapillare des GIS zurück unclicking das Kästchen "Pt dep "in der" Gas Injection "Block.
    19. Wechseln Sie in SEM-Modus und prüfen Sie das Ergebnis der abgeschiedenen Pt-Elektroden auf der Schicht-Nanokristall.
    20. Treffen die SEM-Bilder bei verschiedenen Vergrößerungen der fertigen Vorrichtungen mit zwei oder vier Elektroden (siehe Schritt 3 in Figur 1).
    21. Stellen Sie den Neigungswinkel des Halters Rückkehr zu 0 Grad, indem Sie auf die Schaltfläche "Navigation" und Eingabe der Neigungswinkel "0".
    22. Nehmen Sie die Top-betrachtet REM-Bilder mit unterschiedlicher Vergrößerung für die Schätzungen der Materialbreite und Elektroden inter-Abstand durch Anklicken der Schaltfläche "Snapshot".
    23. Schalten Sie die Elektronenstrahl und Ionenstrahlsystemen und abkühlen GIS-System nach unten, indem Sie auf den Button "Beam Off" und die Taste "Warm" in der "Gas Injection" Block auf.
    24. Entlüften Kammer durch Einleiten von Stickstoffgas durch Klicken auf die Buttons "Vent" und nehmen Sie die Halterungaus der Kammer. Es dauert in der Regel 5 bis 10 Minuten, um den Entlüftungsvorgang zu beenden.
    25. Schließen Sie die Kammertür und Kammer evakuieren.

3. Charakterisierungen der MoSe 2 Layer Nanokristall-Geräte

  1. Dickenmessung der Schicht-Nanokristalle mit AFM
    1. Installieren Sie die AFM-Cantilever auf die Sondenhalter.
    2. Schalten Sie AFM-Programm und wählen Sie "ScanAsyst" -Modus.
    3. Laden Sie den Sondenhalter und verbinden Sie es mit der Laserdiode Leiter der AFM-Station.
    4. Die Kalibrierung durchzuführen, um den einfallenden Laserstrahl Position und die Auslegers gemäß Herstellerprotokoll auszurichten.
    5. Montieren Sie die Probe (die Vorlage Chip mit FIB-Nanokristallschicht hergestellt Geräte) auf dem Probenhalter durch Cu Folienband.
    6. Laden Sie den Probenhalter mit dem AFM-Station.
    7. Bewegen Sie den Probenhalter in die Position etwa unter dem Laserstrahl oder AFM cantileväh.
    8. Weiter unten AFM Cantilever auf die Fokusposition durch die Fokussierung des Lichtmikroskop Bild der Nanokristallschicht.
    9. Eingabe-Scan-Parameter, wie die Scan-Bereich (6 x 30.6 x 30 & mgr; m 2), der Frequenz (0,5-1,5 Hz) und der Auflösung (256 bis 512 Zeilen).
    10. Starten Sie das Programm und speichern Daten gemäß dem Protokoll des Herstellers.
    11. Heben Sie die AFM-Cantilever und nehmen Sie den Probenhalter heraus.
    12. Legen Sie die zweite Probe und wiederholen Sie den obigen wenn Notwendigkeit beschriebenen Messverfahren.
    13. Schätzen Sie die Dicke der Schicht-Nanokristalle durch die Analyse der AFM-Bild und Höhenprofil mit Hilfe der Software "Nanoscope-Analyse". Wählen eine seitliche Höhenprofil von der AFM-Bild und bestimmt die durchschnittliche Dicke Wert durch den abgeflachten Bereich des Profils. (Siehe Abbildung 2d und 2e)
  2. Strom-Spannungs (IV) Messung der Schichtnano
    1. Montierendie Probe (die Vorlage Chip mit FIB-Nanokristallschicht hergestellt Geräte) auf dem Glimmersubstrat durch Cu-Folienband.
    2. Bindung der Emailleleitern oder Cu-Drähten auf den Elektroden des Chips durch Ag-Paste. (Siehe Schritt 4 in Fig. 1)
    3. Legen Sie den ausgefüllten Probe in der Prüfstation Kammer und befestigen Sie ihn auf dem Probenhalter durch Cu Folienband. Die kryogene Sonde Station wurde im dunklen Umgebung. (Siehe Schritt 5 in Fig. 1)
    4. Löten die elektrischen Leitungen von der Probe und der Metallelektroden der Sonden eine nach der anderen.
    5. Verschließen Sie die Kammer oben und evakuieren die Kammer bis auf 10 -4 mbar. Cool down Probe auf die 77 K durch die Einführung von flüssigem Stickstoff in die Sonde entfernt. Den Temperaturbereich (in der Regel 80 bis 320 K), Intervall, und die Verweilzeit für die Temperatursteuerung. (Nur nötig bei temperaturabhängige Messung).
    6. Stellen Sie die angelegte Spannung Wischbereich (in der Regel von -1 bis 1 V), Spannung interval (0,01 V), und die begrenzte maximale Strom (10 oder 100 & mgr; A) in einer Ultrahochimpedanz multifunktionalen Elektrizitätszähler für die Zwei-Anschluss-IV-Messung. Für vier Anschlüssen Messung, stellen Sie den angelegten Strom Wischbereich (typischerweise von -100 bis 100 & mgr; A) und Stromintervall (1 & mgr; A).
    7. Starten Sie das Programm und speichern Sie die Daten IV bei Raumtemperatur oder bei verschiedenen Temperaturen.
    8. Öffnen Sie die Kammerkappe bei Bedarf an, um die Probe aus der Kammer.
    9. Legen Sie die zweite Probe, wenn notwendig, und wiederholen Sie die oben beschriebene Prozedur.
    10. Analyse der IV-Kurve durch Auftragen des gemessenen Stroms in Abhängigkeit vom angelegten Spannungsdaten mit der Software. Montieren Sie die IV-Kurve durch die Auswahl der Linearanpassungsfunktion. Überprüfen Sie die Linearität der IV-Kurve und erhalten die Steigungswert (dh Leitwert). (Siehe Schritt 6 in Fig. 1)
    11. Wiederholen Sie den Schritt 3.2.10 für die IV-Kurven mbei verschiedenen Temperaturen, wenn Notwendigkeit gem essen.
    12. Berechnung der Leitfähigkeit (σ) Wert nach der Gleichung σ = G (t / tw) der Annahme der vom IV, SEM erhaltenen Parameter und AFM-Messungen, einschließlich Leitfähigkeit (G), der Dicke (t), die Breite (w) und Länge ( l) der Schicht-Nanokristall.
    13. Zeichnen die Kurven der Leitfähigkeit und Leitfähigkeitswerte als Funktion der Dicke der Schicht-Nanokristalle.

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Representative Results

Die ermittelten Werte der elektrischen Leitfähigkeit (G) und der Leitfähigkeit (σ) der Schicht von Nanomaterialien mit unterschiedlichen Dicken sind stark abhängig von der Qualität der elektrischen Kontakte. Die ohmschen Kontakte des FIB-Abscheidungsfertigter Zweipol-MoSe 2 Geräte werden durch Messen der Strom-Spannung (I - V), dadurch gekennzeichnet Kurve. Die Raumtemperatur I - V-Kennlinien für die beiden terminalen MoSe 2-Nanovorrichtungen mit unterschiedlichen Dicken sind in Figur 2a dargestellt. Die I - V-Kurven folgen eine lineare Beziehung. Dies bestätigt die ohmschen Kontakt Zustand der MoSe 2 Geräte.

. Teilvorrichtungen mit vier Elektroden wurden hergestellt, um weiter auszuschließen den möglichen Effekt des Kontaktwiderstands 2B veranschaulicht die typische I - V-Kennlinien von zwei ele gemessenenctrode und Vier-Elektrodenverfahren bei Raumtemperatur für die gleiche Nanoplättchen mit einer Dicke auf 33 nm. Die berechneten σ-Werte für die zwei-Sonde und Vier-Sonden-Messungen bei 117 und 118 Ω - 1 cm - 1. Da die anhand von zwei-Sonde und Vier-Sonden-Messungen für den gleichen Vorrichtungen σ-Werte sehr ähnlich waren, den Einfluss der Kontaktwiderstand auf den bestimmten G und σ-Werte in dieser Studie war vernachlässigbar 2c. Und 2d veranschaulichen die repräsentativen Feldemissions Rasterelektronenmikroskop (FE-REM) Aufnahmen der mit zwei Anschlüssen und vier Anschlüssen MoSe 2 Geräte sind. Die Dicken der MoSe 2 nanoflakes auf den Vorrichtungen wurden unter Verwendung von Atomkraftmikroskopie (AFM) Messungen geschätzt wird; eine Probenmessung ist in den Figuren 2e und 2f dargestellt.

Der Metall-Halbleiter-Grenzfläche der elektrischen Kontakt in den MoSe 2 Geräte wurde weiter untersucht unter Verwendung von hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM), Feinbereichselektronenbeugung (SAED) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX). Abbildung 3a zeigt den Querschnitt der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Bild des Pt / MoSe 2-Schnittstelle. Das Bild zeigt, dass eine Legierungsschicht (25-30 nm) wurde zwischen Pt und MoSe 2, da der Ionenstrahlbeschuss. HRTEM-Bilder der Legierung / MoSe 2-Schnittstelle (Spot 4, 3b) und der MoSe 2-Region (Spot 3, Abbildung 3c) zeigen eine amorphe Legierung an der Oberfläche des einkristallinen MoSe 2 gebildet.

Die EDX-Spektrum und das Ringmuster SAED in 3D zeigen, daß Pt ist der Hauptbestandteil, und daß die Metallelektrode eine polykristalline Struktur. Ähnliche MessungenIn Figur 3e gezeigt ist, zeigte eine Ionen bombardiert Legierung mit einer amorphen Struktur und die ein Gemisch aus Mo, Se und Pt in einem Verhältnis von 2: 4: 1. Die einkristalline MoSe 2-Nano wurde durch die EDX und SAED-Messungen, die in Figur 3f gezeigt bestätigt.

Verwendung des FIB-Abscheidungsverfahren für den ohmschen Kontakt hergestellt, in MoSe 2 mehrschichtigen Nanostrukturen mit verschiedenen Dicken, die G und σ Werte genau bestimmt werden. 4a zeigt die statistischen Werte für die G MoSe 2 nanoflakes mit unterschiedlichen Dicken. Es kann beobachtet werden, dass der G-Wert stellt keine beobachtbare Veränderung oder eine Veränderung der Dicke über zwei Grßenordnungen zu zeigen. Diese Beobachtung steht im Gegensatz zu theoretischen Vorhersagen, wonach G linear abhängig ist von der Dicke (t) für eine gleichmäßige Stromfluss und written als

Gleichung 1

Wobei A die Fläche für den Stromtransport, und L, W und T die Länge, Breite und Dicke des Leiters auf.

. Der σ-Wert kann unter Verwendung von Gleichung (1) 4b zeigt die Leitfähigkeit als Funktion der Dicke (σ - t). Der Wert σ steigt um mehr als zwei Größenordnungen von 4,6 bis 1500 Ω - 1 cm - 1, wenn t nimmt von 2,700 bis 6 nm. Eine inverse Potenzgesetz σ ∞ t - β erhalten wird, in dem die Einbau β-Wert 0,93. Die σ-Werte (0,1 bis 1 Ω - 1 cm - 1) 36-38 (t: 10-100 um) werden ebenfalls auf der angepassten Linie entfernt.

Im Prinzip ist σ eine intrinsische Eigenschaft ohne Dimension Wirkungen. Die starke Abhängigkeit der Dicke σ impliziert, dass die Stromleitung an der Oberfläche des MoSe 2 Schichtmaterial tritt vor allem. Wenn die Oberflächenleitungspfad ist um mehrere Größenordnungen höher ist als die Masse, der G-Wert nicht erhöht und konstant wird, selbst wenn die Dicke zunimmt.

Abbildung 1
Abb. 1: Verfahren für die Herstellung von Vorrichtungen und elektrische Charakterisierung von MoSe 2 nanoflakes Schritt 1: Morphologische und strukturelle Charakterisierungen MoSe 2 Massenschicht Kristalle durch XRD und Raman-Spektroskopie. Schritt 2:Mechanische Peeling von Schüttschicht Kristalle durch Vereinzelungsfolie und beobachten die Morphologie abgestreift Flocken durch FESEM. Schritt 3: Elektrodenherstellung der nanoflakes durch FIB Pt-Abscheidung. Schritt 4: Schließen Sie das Gerät, indem das Proben Chip auf Glimmer-Substrat und Klebelackdraht auf den Elektroden des Chips durch Ag-Paste. Schritt 5: Legen Sie die Probe in der Tieftemperatur-Sonde entfernt. Schritt 6: Führen Sie I - V-Messung und Analyse der Daten.

Figur 2
Figur 2: I - V-Kurve, FEREM und AFM-Messungen für Zwei- und Vierterminal MoSe 2-Nanovorrichtungen (A) die I - V-Kennlinien nach dem Zweisondenverfahren bei Raumtemperatur für die MoSe 2 nanoflakes gemessen.mit unterschiedlichen Dicken bei 11, 240 und 1300 nm. (B) die I - V-Kennlinien durch die zwei-Sonde und Vier-Sondenverfahren bei Raumtemperatur während einer MoSe 2 Nanoplättchen mit einer Dicke auf 33 nm gemessen. Die repräsentativen FEREM Bilder von (c) mit zwei Anschlüssen und (d) die Vier-Anschluß-MoSe 2 Vorrichtungen durch FIB Ansatz hergestellt. (E) ein typisches Bild AFM und (f) seine Querschnittshöhenprofil entlang der blauen Linie in (e) für eine MoSe 2 Gerät mit der Dicke bei ~ 60 nm. (Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Ref. 28, Urheberrecht @ The IOP Publishing Ltd.)

Figur 3
Abbildung 3: HRTEM analysiert SAED und EDX für die Pt / MoSe 2-Schnittstelle in der Vorrichtung (. a) Die Querschnitts TEM-Bild der Pt-Metall / MoSe 2 Halbleiter-Grenzfläche in der MoSe 2-Nanovorrichtung (t ~ 110 nm) durch FIB-Ansatz hergestellt. Die numerischen Etiketten zeigen die verschiedenen Sondenregionen für HRTEM, SAED und EDX-Analysen. 1: Pt Metallelektrode, 2: Ionen bombardiert Legierungsbereich, 3: 2 MoSe mehrschichtigen, und 4: Legierung / MoSe 2-Schnittstelle. Die HRTEM-Aufnahme (b) der Legierung / MoSe 2-Schnittstelle (Spot 4) und (c) die MoSe 2-Region (Spot 3). Die EDX-Spektren und die entsprechenden SAED-Muster für (d) der Pt-Elektrode (Spot 1), (e) der Legierungsbereich (Spot 2) und (f) die MoSe 2-Nano (Spot 3) sind. (Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Ref. 28, Urheberrecht @ The IOP Publishing Ltd.)

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Abb. 4: Stärke abhängige Leitfähigkeit in MoSe 2 nanoflakes (a) Die elektrische Leitfähigkeit und (b) der log-log Plot der elektrischen Leitfähigkeit Werte für die MoSe 2-Nano mit unterschiedlichen Dicken reichten von 6 bis 2.700 nm durch zwei Mess Sonde (blauer Feststoff-Sterne) und vier-Sonde (blau offenen Stern) Methoden. Die Leitfähigkeitswerte der MoSe 2 Volumenkristallen durch unsere Messungen (grüner offener Kreis) und aus den Referenzen erhalten werden zum Vergleich ebenfalls eingezeichnet. Die MoSe 2 Bulks ohne die Dickeninformation in den Refs. 32, 33, 34 angenommen, dass mehr als 10 & mgr; m und ihre Leitfähigkeitsniveaus werden durch grüne Pfeile dargestellt. Der rote Strich-Linie ist die Passlinie für die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von Dickendaten der MoSe 2 nanoflakes. (Nachdruck mit freundlicher Genehmigung von Ref. 28, Urheberrecht @ The IOP Publishing Ltd.)

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Discussion

Die genaue Bestimmung der σ-Wert und seine Abmessung in Abhängigkeit der Schichtnanokristallen ist stark abhängig von der Qualität der elektrischen Kontakte. Die für die Metallelektrode Abscheidung verwendet FIB-Abscheidungsverfahren eine entscheidende Rolle spielte während der gesamten Studie. Je nach den elektrischen, strukturellen und die Analysen der Zusammensetzung, die Herstellung von stabilen und hoch reproduzierbare ohmsche Kontakte mit FIB-Abscheidungsverfahren, in den MoSe 2 oder MoS 2 Geräte wurde durch die Bildung der amorphen leitenden Legierung zwischen der Pt-Metall und MoSe 2 erleichtert Halbleiterschicht. Das defekte Legierungsstruktur im MoSe 2 Oberfläche, die eine hohe Ladungsträgerdichte zeigt, könnte die Wirkung von Schottky-Kontakt effektiv zu minimieren. Die Oberflächenverunreinigungen von Halbleitern, wie native Oxide und Kohlenwasserstoffe, die allgemein zu den von der isolierenden Schicht zwischen dem Metall und dem Halbleiter-Kontakte stammen,Kann durch Ionenbeschuß eliminiert werden. Die Beseitigung können die niedrigen Übergangswiderstand in der FIB-Abscheidung Fertigschicht-Vorrichtungen zu erklären.

Obwohl die experimentellen FIB-Abscheidungsverfahren liefert zuverlässige ohmsche Kontakte für die Elektrodenherstellung der Schicht Halbleiter-Nanostrukturen, der minimale Abstand zwischen den Metallelektroden begrenzt war. Es wurde so gesteuert, oberhalb von 1 & mgr; m in dieser Studie werden. Der Hauptgrund für die Beschränkung ist, dass das FIB dampfte Metallelektrode keinen klaren Kanten und scharfe Seitenwände aufgrund der Gaußschen Verteilung des Ionenstrahlflusses in der radialen Richtung. Der Mangel an klaren Kanten und scharfe Seitenwände können in der Materialoberflächenkontamination und einem elektrischen Kurzschluss führen, wenn zwei Elektroden zu nahe aneinander (in der Regel näher als 500 nm) abgeschieden.

Außerdem Materialbearbeitung in dem Ionenstrahl Umwelt unweigerlich Schäden, die Materialoberfläche, leading zu einer Veränderung der inhärenten Materialeigenschaften. Eine mögliche Beschädigung der Oberfläche des Materials durch den Ionenstrahl während des FIB Abscheidung zu vermeiden, haben wir versucht, die Ionenstrahl-Belichtungszeit zu minimieren. Typischerweise sind die meisten der Schritte des Verfahrens (einschließlich der Auswahl geeigneter Nanokristalle, Abbilden der Position und die Aufnahme von Bildern) wurden in den SEM-Betrieb durchgeführt wird; Anschließend wurde der Modus zu dem FIB-Modus umgeschaltet. Daher wurde die Probenoberfläche zum Ionenstrahl auf eine deutlich kurze Zeit ausgesetzt (im Schnappschuss-Modus), die der Zeit für den Betrieb bei FIB Modus zum Identifizieren des Pt gemacht entsprach abgeschieden Bereichen. Weiterhin kann Oberflächenschutz durch Beschichtung eines isolierenden organischen Material (wie Bathocuproin) auf der Schicht-Nanokristall vor der Abscheidung FIB (nicht im Protokoll erwähnt) bereitgestellt werden.

EBL, die die am häufigsten verwendete Methode ist, einen viel kleineren Abstand zwischen den Elektroden (kürzer als 100 nm) bereitzustellen, verglichen mit FIBAblagerung. Potentielle Schädigung der untersuchten Materialien können mit EBL verhindert werden. Jedoch EBL erfordert die Verwendung eines Resists. Weil die vollständige Entfernung der auf der Materialoberfläche Resist beschichtet ist schwierig, die Rest entziehen kann in hohen Kontaktwiderstand zwischen dem Kontaktmetall und dem untersuchten Material führen. Dieses Problem verringert die Ausbeute von ohmschen Kontakten erheblich und erschwert die Verwendung von EBL als Mikroelektroden-Herstellungsverfahren. Daher kann FIB-Technik eine gute Wahl für Mikroherstellung mit einer zuverlässigen und reproduzierbaren ohmschen Kontakt neben EBL sein.

In dieser Studie wurde die minimale Dicke MoSe 2 Schicht Material erreicht nur 6 nm (ungefähr 9-10 Monoschichten). Die elektrische Kontaktqualität für die ultradünnen Schichtmaterialien mit einer Dicke von weniger als 5 Monoschichten ist noch unbekannt. Es wird erwartet, dass die Kontaktfläche in den ultradünnen Schichtmaterialien können vollständig legiert sein, da der Pt-Mo-Se-LegierungDicke (25-30 nm), die durch den Ionenbeschuss induzierten höher ist als die Materialdicke. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um die Legierung Wirkung auf die ohmsche Kontakt Unterkunft direkt FIB Ansatz zu erarbeiten.

In Wirklichkeit wurde die FIB-Abscheidungsverfahren vor allem für Material Fräsen oder Ätzen auf Mikro- und Nanometerskalen entwickelt. Metallabscheidung ist nur eine erweiterte Nutzung des Verfahrens zur Beschichtung bzw. Schutzmaterial Oberflächen. Allerdings ist in diesem Bericht, die FIB-Abscheidungsverfahren wurde für ohmsche Kontaktherstellung in Schicht Halbleiter-Nanostrukturen angenommen. Die Beobachtung der Dicke Wirkung auf die Transporteigenschaften in den 2D-Nanomaterialien wurde unter Verwendung des FIB-Abscheidungsverfahren erleichtert. Elektrodenherstellung im Mikrometer- oder Submikrometerbereich Skala mit zuverlässigen ohmschen Kontaktqualität ist eine Herausforderung und ist von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl von Anwendungen, wie zB Grund elektrische Charakterisierung von Nanomaterialien, die Abschaffung der Kontakt resisBedeutung für elektronisches Gerät Verarbeitung, und lokale Metallisierung von Materialoberflächen. Der Nachweis der Mikroelektroden-Fertigung auf der Schicht von Nanomaterialien unter Verwendung des FIB-Abscheidungsverfahren kann als ein entscheidender und nützliche Referenz für zukünftige Forscher und Ingenieure in Wissenschaft und der Industrie zu dienen.

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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

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Engineering Ausgabe 106 fokussierte Ionenstrahl (FIB) ohmschen Kontakt Halbleiterschicht Molybdän Diselenid (MoSe Molybdändisulfid (MoS Elektrische Leitfähigkeit Rasterkraftmikroskopie (AFM) hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) Feinbereichselektronenbeugung (SAED) Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)
Ohmsche Kontakt Fabrication unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahl-Technik und Elektrische Charakterisierung für Layer-Halbleiter-Nanostrukturen
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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).

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