Waiting
Login processing...

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

Engineering

أومية الاتصال التصنيع باستخدام تقنية تركز أيون شعاع وتوصيف الكهربائية للطبقة أشباه الموصلات النانوية

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

أشباه الموصلات طبقة مع معالجتها بسهولة ثنائية الأبعاد (2D) هياكل يحمل التحولات فجوة الحزمة غير المباشرة، لمباشرة والأداء الترانزستور متفوقة، والتي تشير إلى اتجاه جديد لتطوير الجيل القادم من سامسونج والأجهزة الضوئية والإلكترونية مرنة. وقد لوحظ على نطاق واسع تعزيز كفاءة التلألؤ الكم في هذه البلورات 2D رقيقة بالذرة. ومع ذلك، آثار البعد وراء سمك الحبس الكم أو حتى على نطاق ميكرومتر لا يتوقع ونادرا ما لوحظ. في هذه الدراسة، ثنائي سيلينيت الموليبدينوم (موس 2) طبقة البلورات مع مجموعة سمك 6-2،700 نانومتر ملفقة كما سنتين أو الأجهزة الطرفية أربع سنوات. وقد تحقق تشكيل الاتصال أومية بنجاح للتركيز أيون شعاع (الاكذوبه) طريقة الترسيب باستخدام البلاتين (حزب العمال) كمعدن للإتصال به. أعدت بلورات طبقة مع مختلف السماكات من خلال تقشير ميكانيكية بسيطة باستخدام الشريط التكعيب. الجهد الحالي measuremen منحنىوأجريت البحوث لتحديد قيمة التوصيل من البلورات النانوية طبقة. وبالإضافة إلى ذلك، وارتفاع القرار المجهر الإلكتروني النافذ، واستخدمت في منطقة مختارة حيود الإلكترون، والتشتت للطاقة الطيفي للأشعة السينية لتحديد خصائص واجهة للاتصال معادن أشباه الموصلات من موسي 2 أجهزة ملفقة الاكذوبه. بعد تطبيق النهج، وقد لوحظ الموصلية كبير تعتمد على سمك الكهربائي في مجموعة وسمك واسعة للطبقة أشباه الموصلات موسي 2. ارتفع الموصلية من قبل أكثر من عقدين من أوامر من حجم من 4.6 إلى 1500 Ω - 1 سم - 1، مع انخفاض في سمك من 2700 إلى 6 نانومتر. وبالإضافة إلى ذلك، أشار الموصلية التي تعتمد على درجة الحرارة التي رقيقة موسي 2 متعددة الطبقات أظهرت ضعف إلى حد كبير سلوك شبه موصلة مع الطاقات تفعيل 3،5-8،5 إلكترون فولت، التي هي أصغر بكثير من تلك (36-38 إلكترون فولت) من الجزء الأكبر. بروباويقترح خصائص النقل سطح المهيمن بلي وجود تركيز الإلكترون سطح عالية في موس 2. يمكن الحصول على نتائج مشابهة لغيرها من المواد طبقة أشباه الموصلات مثل موس 2 و WS 2.

Introduction

dichalcogenides الانتقال المعدنية (TMDS)، مثل موس 2، موس 2، WS 2، وWSE 2، لديها ثنائي الأبعاد (2D) بنية الطبقة مثيرة للاهتمام وخصائص شبه الموصلة 1-3. لقد اكتشف العلماء مؤخرا أن هيكل أحادي الطبقة من MOS 2 يظهر تحسينات كبيرة في كفاءة الباعثة للضوء بسبب تأثير الحبس الكم. وقد اجتذب هذا الاكتشاف من المواد الجديدة أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة المباشرة اهتماما كبيرا 4-7. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هيكل طبقة تجريد بسهولة من TMDS هو منصة ممتازة لدراسة الخصائص الأساسية للمواد 2D. على عكس الجرافين المعدني دون فجوة الحزمة، TMDS لها خصائص شبه الموصلة الكامنة ولها فجوة نطاقها في حدود 1-2 فولت 1،3،8. الهياكل 2D من المركبات ثلاثية من TMDS 9 و إمكانية دمج هذه المركبات مع الجرافين توفر مقابل غير مسبوقortunity لتطوير الأجهزة الإلكترونية سامسونج ومرنة.

على عكس الجرافين، القيم التنقل درجة حرارة الغرفة الإلكترون من 2D TMDS هي بمستوى صوت معتدل (1-200 سم 2 V - 1 ثانية - 1 لموس 10-17 فبراير، ما يقرب من 50 سم 2 V - 1 ثانية - 1 لموسي 2 18 ). تم الإبلاغ عن القيم التنقل المثلى من الجرافين لتكون أعلى من 10000 سم 2 V - 1 ثانية - 19-21 يناير على الرغم من ذلك، الطبقات الوحيدة TMD شبه الموصلة يحمل أداء الجهاز ممتازة. على سبيل المثال، والطبقات الوحيدة MOS 2 و 2 موز أو متعدد الطبقات حقل التأثير الترانزستور المعرض عالية للغاية على / قبالة نسب تصل إلى 10 6 -10 9 10،12،17،18،22. لذلك، لا بد من فهم الخواص الكهربائية الأساسية لل2D TMDS والمواد السائبة الأشعة تحت الحمراء.

ومع ذلك، فقد تعرقلت الدراسات من الخواص الكهربائية للمواد طبقة جزئيا بسبب صعوبة في تشكيل الاتصال أومية جيد على بلورات طبقة. ثلاثة مناهج، ترسب قناع الظل (SMD) 23، شعاع الإلكترون الطباعة الحجرية (EBL) 24،25، والتي تركز أيون شعاع (الاكذوبه) الترسيب، وقد استخدمت 26،27 لتشكيل الاتصالات الكهربائية على المواد متناهية الصغر. لأن مصلحة الارصاد الجوية عادة ما ينطوي على استخدام الشبكة النحاسية كقناع، والتباعد بين قطبين الاتصال هو في الغالب أكبر من 10 ميكرون. على عكس EBL والاكذوبه الترسيب، ويتم تنفيذ ترسب المعادن صفائف الكهربائي على ركيزة دون استهداف أو اختيار المواد النانوية من الفائدة في الأسلوب مصلحة الارصاد الجوية. هذا النهج لا يمكن أن يضمن أن أنماط معدنية تترسب بشكل صحيح على المواد النانوية الفردية والأقطاب. نتيجة للأسلوب مصلحة الارصاد الجوية لديها عنصر الصدفة. وتستخدم أساليب ترسب EBL والاكذوبه فيالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) النظام؛ المواد النانوية ويمكن ملاحظة مباشرة واختيار لترسب الكهربائي. بالإضافة إلى ذلك، EBL يمكن استخدامها لصنع بسهولة أقطاب معدنية مع خط العرض والاتصال الكهربائي تباعد أصغر من 100 نانومتر. ومع ذلك، فإن المتبقي مقاومة على سطح المواد متناهية الصغر اليسار أثناء الطباعة الحجرية يؤدي حتما إلى تشكيل طبقة عازلة بين القطب المعادن والمواد متناهية الصغر. وهكذا، EBL يؤدي إلى مقاومة اتصال عالية.

والميزة الرئيسية لتصنيع الكهربائي من خلال الاكذوبه ترسب هو أنه يؤدي إلى انخفاض المقاومة للإتصال به. لأنه يتم تنفيذ ترسب المعادن من قبل التحلل من السلائف العضويه باستخدام شعاع أيون في منطقة محددة، وترسب المعادن والأيونات القصف تحدث في وقت واحد. هذا يمكن أن تدمر واجهة معدنية أشباه الموصلات ومنع تشكيل شوتكي للإتصال به. يمكن ايون القصف أيضا القضاء على الملوثات السطحية مثل HYDROCARالحلوى وأكاسيد الأم، مما يقلل مقاومة للإتصال به. وقد تجلى أومية تلفيق الاتصال من خلال الاكذوبه ترسب المواد النانوية مختلفة 27-29. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الإجراء تلفيق كامل في النهج ترسب الاكذوبه هو أبسط من ذلك في EBL.

كما تظهر أشباه الموصلات طبقة عادة التوصيل الكهربائي متباين للغاية، والتوصيل في الاتجاه طبقة إلى طبقة هو عدة أوامر من حجم أقل من ذلك في الاتجاه في الطائرة 30،31. هذه الخاصية تزيد من صعوبة افتعال الاتصالات أومية وتحديد التوصيل الكهربائي. لذلك، في هذه الدراسة، تم استخدام الاكذوبه ترسب لدراسة الخواص الكهربائية للالنانو طبقة أشباه الموصلات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. توصيف الهيكلي للموز 2 بلورات طبقة (انظر الخطوة 1 في الشكل 1)

  1. XRD القياس الداخلي
    1. جبل الكريستال طبقة موس 2 (مع نطاق حجم 5 × 5 × 0،1 حتي 10 × 10 × 0.5 مم 3) أو مسحوق الكريستال (التي كانت مختلطة مع مسحوق الكوارتز والموثق وطخت على شريحة زجاجية) على حامل.
    2. اضغط على حامل من قبل شريحة زجاجية لضمان طبقة الكريستال بالتوازي مع السطح إلى السطح حامل.
    3. تحميل صاحب العينة في ديفراكتوميتر.
    4. إغلاق أبواب ديفراكتوميتر.
    5. معايرة خط شعاع وفقا لتعليمات الشركة الصانعة.
    6. المعلمات قياس المدخلات مثل 2 مسح مجموعة (10-80 درجة)، والزيادة (0.004 درجة)، وزمن السكون (0.1 ثانية).
    7. بدء تشغيل البرنامج مركز DIFFRAC.Measurement على الكمبيوتر تعلق على ديفراكتوميتر ثم قم بحفظ ملف البيانات واسم البيانات وفقا لبروتو الشركة المصنعةالعقيد.
    8. تحليل نمط حيود الأشعة السينية عن طريق تحديد المواقف من قمم الحيود باستخدام برنامج ومن ثم مقارنتها مع البيانات القياسي من قاعدة بيانات بطاقة JCPDS لتأكيد جودة واحدة خارج نطاق الطائرة التوجه واحدة البلورية من بلورات طبقة موس 2 32،33 .
  2. الدقيقة رامان القياس الداخلي
    1. إجراء معايرة المعدات رامان باستخدام رقاقة السيليكون كما العينة القياسية. قياس رقاقة السيليكون هو نفس الإجراء الموضح أدناه للحصول على المهتمين موسي 2 طبقة الكريستال.
    2. شن طبقة الكريستال موس 2 على شريحة زجاجية.
    3. تحميل شريحة زجاجية على حامل من المجهر الضوئي والتركيز سطح العينة مع مصدر الضوء الأبيض.
    4. التبديل مصدر الضوء من الضوء الأبيض إلى شعاع ليزر (الطول الموجي في 514 نانومتر).
    5. المعلمات قياس المدخلات مثل مسح مجموعة متجه مموج موجه (150-500 سم -1)، وintegrالوقت أوجه (10 ثانية)، وعدد مرات الفحص (10-30 مرات).
    6. بدء تشغيل البرنامج على جهاز الكمبيوتر تعلق على مطياف رامان ثم قم بحفظ البيانات واسم الملف البيانات وفقا لبروتوكول الشركة الصانعة.
    7. تحليل الطيف رامان من خلال تحديد الاعراض ذروتها والمواقف باستخدام برنامج ومن ثم مقارنة مع بيانات قياسية من الإشارات إلى التأكد من نوع البنية البلورية وجودة البلورات طبقة موس 2 34،35.

2. تصنيع موسي 2 طبقة النانوية الأجهزة

  1. التقشير الميكانيكي للبلورات طبقة
    1. ملاقط نظيفة مع الأسيتون والكحول.
    2. اختيار بلورات موسي 2 طبقة (4-8 قطع) مع سطح لامع (أي مرآة تشبه الكريستال الوجه) وحجم مساحة أكبر من مساحة 0.5 X 0.5 ملم 2 مع ملاقط ووضعها على الشريط تقطيع مع حجم منطقة 20 × 60 مم 2.
    3. أضعاف الشريط في نصف لقشر الكريستال طبقة وتكرار عمل ما يقرب من عشرين مرة. عادة بلورات طبقة يمكن تجريده إلى العديد من بلورات ميكرومتر الحجم في عرض (راجع الخطوة 2 في الشكل 1).
    4. تحميل شريط تقطيع مع مسحوق طبقة النانوية في غرفة SEM لمراقبة الأحجام والأشكال التضاريسية من هذه جردت موسي 2 طبقة بلورة مكروية. إذا التوزيعات عرض النانوية طبقة هي في 1-20 ميكرون، ويمكن أن مسحوق النانوية تلبية معايير لتصنيع الجهاز.
  2. تشتت البلورات النانوية طبقة على قالب جهاز
    1. ضع الشريط تقطيع مع مسحوق طبقة النانوية رأسا على عقب على قالب الجهاز. القالب هو شافي 2 (300 نانومتر) المغلفة الركيزة السيليكون مع ستة عشر نقوش ما قبل منظمة الشفافية الدولية (30 نانومتر) / الاتحاد الافريقي (90 نانومتر) الأقطاب الكهربائية على سطح شافي 2 (انظر الخطوة 4 في الشكل 1). حجم مساحة القالب هو 5 × 5 مم
    2. اضغط على الشريط التكعيب برفق لجعل بعض البلورات النانوية (ما يقرب من 10 إلى 100 قطعة) تقع على القالب.
    3. تحقق من كثافة عدد وحالة تشتت النانوية على القالب بواسطة المجهر الضوئي أو في بعض الأحيان من قبل SEM إذا كانت البلورات النانوية متفرقة يمكن يكن لوحظ من قبل المجهر الضوئي. عادة 2-5 قطع من البلورات النانوية (حجم مساحة أكبر من مساحة 2 × 2 ميكرون 2) تفرقوا في ساحة المركز (بمساحة 80 × 80 ميكرون 2) من القالب دون تداخل مع بعضها البعض هي حالة أفضل لتجهيز الاكذوبه المقبل .
  3. التصنيع الكهربائي التي كتبها FIB
    1. جبل قوالب على حامل الاكذوبه باستخدام إجراء الشريط احباط النحاس. عادة، كان مطلوبا مجال إجراء الشريط من 3 × 2.4 سم 2 لتركيب قوالب 6-8.
    2. تحميل حامل في غرفة الاكذوبه.
    3. إخلاء الغرفة إلى درجة فراغ وصولا الى 10 -5 ميليبار بالضغط على زر"مضخة".
    4. تعيين شعاع الالكترون الحالية (41 سنويا) وتسارع الجهد (10 كيلو فولت) لوضع SEM.
    5. تعيين شعاع ايون الحالية (0.1 غ)، وتسارع الجهد (30 كيلو فولت) لوضع الاكذوبه.
    6. الاحماء نظام شعاع ايون والغاز حقن نظام (GIS) من خلال النقر على "شعاع على" الزر والزر "البارد" في "حقن الغاز" كتلة، على التوالي.
    7. بدوره على شعاع الإلكترون عن طريق النقر على زر "شعاع على" وتركيز الصورة في التكبير المنخفض لل100X.
    8. تعيين المسافة ض محوري عمل (WD) في 10 ملم لوضع SEM.
    9. تعيين التكبير في 5،000X والتركيز.
    10. ضبط زاوية الميل للحامل إلى 52 درجة بالضغط على زر "الملاحة" وإدخال زاوية الميل "52".
    11. حدد طبقة النانوية موسي 2 مع سماكة معينة (تتراوح من 5 إلى 3000 نانومتر) ومستطيلة ومربعة الشكل للفابريكا الكهربائينشوئها.
    12. أخذ صور SEM في تكبير مختلفة (من 1،000X إلى 10،000X) من المواد البكر المستهدفة قبل القطب تلفيق بالنقر على زر "لقطة".
    13. التبديل إلى فيب وضع واتخاذ صورة الاكذوبه التي وضع لقطة للحد من وقت التعرض للمواد المستهدفة في إطار أيون شعاع القصف.
    14. تحديد منطقة ترسب الكهربائي، تحديد وضع "حزب العمال ترسب"، وإدخال سمك (0،2-1،0 ميكرون) قيمة حزب العمال القطب المودعة.
    15. يعرض الشعرية نظم المعلومات الجغرافية في الغرفة عن طريق النقر على مربع "حزب العمال إقلاع" في "حقن الغاز" كتلة.
    16. أخذ صورة عن طريق وضع لقطة مرة أخرى وتعديل موقف الأقطاب إذا كان نمطا محددا تحديدا في الأصل يتحول قليلا.
    17. بدوره على ترسب الاكذوبه من خلال النقر على زر "ابدأ الزخرفة".
    18. بعد الترسيب، ورسم الشعرية GIS مرة أخرى بواسطة unclicking مربع "حزب العمال دالجيش الشعبي "في" حقن الغاز "كتلة.
    19. التبديل إلى وضع SEM وتحقق نتيجة للأقطاب حزب العمال تترسب على الطبقة النانوية.
    20. أخذ صور SEM في تكبير مختلفة من الأجهزة مع الانتهاء من اثنين أو أربعة أقطاب (راجع الخطوة 3 في الشكل 1).
    21. ضبط زاوية الميل للعودة حامل ل0 درجة عن طريق النقر على زر "الملاحة" وإدخال الميل زاوية "0".
    22. اتخاذ أعلى الصور شوهدت SEM في تكبير مختلفة لتقديرات العرض المادية والقطب بين المسافة من خلال النقر على زر "لقطة".
    23. إيقاف تشغيل أنظمة شعاع شعاع الإلكترون والأيونات ويبرد نظام GIS من خلال النقر على زر "شعاع إيقاف" والزر "الحارة" في "حقن الغاز" كتلة، على التوالي.
    24. تنفيس عن الغرفة عن طريق إدخال غاز النيتروجين من خلال النقر على أزرار "تنفيس" ثم أخذ حاملللخروج من الغرفة. وعادة ما يستغرق 5 إلى 10 دقيقة لإنهاء عملية التنفيس.
    25. أغلق باب الغرفة وإخلاء القاعة.

3.، توصيف طبقة موس 2 الأجهزة النانوية

  1. قياس سمك طبقة البلورات النانوية التي كتبها AFM
    1. تثبيت ناتئ AFM لصاحب التحقيق.
    2. تشغيل برنامج AFM وتحديد وضع "ScanAsyst".
    3. تحميل صاحب التحقيق وتوصيله مع رئيس ليزر ديود من محطة AFM.
    4. إجراء المعايرة لمحاذاة موقف شعاع الليزر الحادث والذي تم تشييده وفقا لبروتوكول الشركة الصانعة.
    5. جبل العينة (الشريحة قالب مع الأجهزة طبقة النانوية أقيمت الاكذوبه) على صاحب العينة التي كتبها النحاس الشريط احباط.
    6. تحميل صاحب العينة إلى محطة AFM.
    7. نقل صاحب العينة إلى موقف تقريبا تحت شعاع ليزر أو AFM cantilevإيه.
    8. انخفاض بانخفاض AFM تعزية إلى موقف التركيز من خلال التركيز على صورة المجهر الضوئي من النانوية طبقة.
    9. معلمات الإدخال المسح الضوئي مثل منطقة المسح الضوئي (6 × 30/06 × 30 ميكرون 2)، وتردد (0،5-1،5 هرتز)، والقرار (256-512 خطوط).
    10. بدء تشغيل البرنامج وحفظ البيانات وفقا لبروتوكول الشركة المصنعة.
    11. رفع تعزية AFM واتخاذ صاحب العينة بها.
    12. تحميل العينة الثانية وتكرار إجراء القياس المذكورة أعلاه إذا دعت الحاجة.
    13. تقدير سمك طبقة البلورات النانوية من خلال تحليل AFM صورة وارتفاع الشخصي باستخدام برنامج "تحليل NanoScope". اختر وضعا الارتفاع الجانبي من الصورة AFM وتحديد متوسط ​​قيمة سمك من منطقة تتسطح الملف الشخصي. (انظر الشكل 2D و 2E)
  2. الحالي مقابل الجهد (IV) قياس طبقة البلورات النانوية
    1. جبلالعينة (الشريحة قالب مع الأجهزة طبقة النانوية أقيمت الاكذوبه) على الركيزة الميكا التي كتبها النحاس الشريط احباط.
    2. السندات الأسلاك مصقول أو أسلاك النحاس على الأقطاب من رقاقة عجينة حج. (انظر الخطوة 4 في الشكل 1).
    3. تحميل العينة المكتملة في غرفة محطة التحقيق وإصلاحه على صاحب العينة التي كتبها النحاس الشريط احباط. وتقع محطة التحقيق المبردة في بيئة مظلمة. (راجع الخطوة 5 في الشكل 1).
    4. لحام الأسلاك الكهربائية من العينة وأقطاب معدنية من واحد تحقيقات من جانب واحد.
    5. سقف أعلى الغرفة وإخلاء الغرفة وصولا الى 10 -4 مليبار. تهدئة العينة إلى 77 K من خلال إدخال النيتروجين السائل في محطة التحقيق. ضبط نطاق درجة الحرارة (عادة 80-320 K)، الفاصلة، ويسكن الوقت للتحكم في درجة الحرارة. (ضروري فقط لقياس تعتمد على درجة الحرارة).
    6. تعيين نطاق الكاسح الجهد المطبق (عادة من -1 إلى 1 V)، والجهد الأسواق العالمية ضغطهاrval (0.01 V)، والتيار القصوى محدود (10 أو 100 أمبير) في الكهربية متعددة الوظائف الفائق مقاومة لقياس IV-المحطة اثنين. لقياس أربع سنوات المحطة، تعيين تطبيق مجموعة الكاسح الحالي (عادة من -100 إلى 100 أمبير) والفترة الحالية (1 أمبير).
    7. بدء تشغيل البرنامج وحفظ البيانات IV في درجة حرارة الغرفة أو في درجات حرارة مختلفة.
    8. فتح غطاء غرفة إذا لزم الأمر واتخاذ عينة من الغرفة.
    9. تحميل العينة الثانية إذا دعت الحاجة وكرر الإجراء هو موضح أعلاه.
    10. تحليل منحنى IV بالتآمر لقياس التيار مقابل البيانات الجهد المطبق باستخدام البرنامج. تناسب منحنى IV عن طريق تحديد وظيفة تركيب الخطي. تحقق الخطي من المنحنى الرابع والحصول على قيمة المنحدر (أي القيمة تصرف). (راجع الخطوة 6 في الشكل 1).
    11. كرر الخطوة 3.2.10 لمنحنيات IV مeasured عند درجات حرارة مختلفة إذا دعت الحاجة.
    12. حساب قيمة التوصيل (σ) وفقا للمعادلة σ = G (ر / TW) من خلال اعتماد المعايير التي حصل عليها IV، SEM، وقياسات AFM بما في ذلك تصرف (G)، وسمك (ر)، والعرض (ث) وطول ( ل) من النانوية طبقة.
    13. رسم منحنيات للتصرف والموصلية القيم مقابل سمك طبقة البلورات النانوية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

قيم العزم للتصرف الكهربائية (G) والتوصيل (σ) للمواد النانوية مع طبقة سمك مختلفة تعتمد اعتمادا كبيرا على جودة الاتصالات الكهربائية. الاتصالات أومية من موسي-محطة مصنعان FIB-ترسب تتميز الأجهزة 2 عن طريق قياس الجهد الحالي (I - V) منحنى. وتظهر منحنيات V لللمحطة اثنين موسي 2 أجهزة nanoflake مع سمك مختلفة في الشكل 2A - درجة حرارة الغرفة I. وI - منحنيات V تتبع وجود علاقة خطية. وهذا يؤكد حالة الاتصال أومية من الأجهزة موس 2.

. ملفقة أجهزة جزئية مع أربعة أقطاب لمواصلة استبعاد التأثير المحتمل للمقاومة الاتصال الشكل 2B يوضح نموذجية I - منحنيات V تقاس ايلى اثنينctrode وأربعة القطب الطرق في درجة حرارة الغرفة لنفسه nanoflake مع سمك في 33 نانومتر. قيم سيجما يحسب للقياسات يومين التحقيق وأربعة مسبار هي 117 و 118 Ω - 1 سم - 1، على التوالي. لأن القيم σ محسوبة باستخدام القياسات يومين التحقيق وأربعة مسبار لنفس الأجهزة كانت متشابهة إلى حد كبير، وكان تأثير المقاومة الاتصال على G وسيجما القيم المحددة في هذه الدراسة يكاد يذكر. أرقام 2C وتوضح 2D الممثل مجال الانبعاثات المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM) صور 2 أجهزة موسي يومين الطرفية وأربعة المحطة الطرفية، على التوالي. قدرت سمك من nanoflakes موسي 2 على الأجهزة التي تستخدم مجهر القوة الذرية (AFM) القياسات. ويظهر قياس عينة في أرقام 2e و 2F.

واجهة معدنية أشباه الموصلات للاتصال الكهربائية في الأجهزة موس 2 ومزيد من الدراسة باستخدام عالية الدقة المجهر الإلكتروني النافذ (HRTEM)، الإلكترون المنطقة المحددة حيود (SAED)، والتحليل الطيفي للأشعة السينية (EDX) المشتتة للطاقة. الشكل 3A يظهر مستعرضة انتقال المجهر الإلكتروني (TEM) صورة من واجهة حزب العمال / موسي 2. وتظهر الصورة أن طبقة سبيكة (25-30 نانومتر) تشكلت بين حزب العمال وموسي 2 بسبب شعاع ايون القصف. صور HRTEM واجهة سبيكة / موسي 2 (بقعة 4، الشكل 3B) والمنطقة موسي 2 (البقعة 3، الشكل 3C) تظهر سبيكة غير متبلور شكلت على السطح من واحدة من الكريستال موس 2.

الطيف EDX ونمط حلقة من SAED في الشكل 3D تظهر أن حزب العمال هو المكون الرئيسي وأن المعدن الكهربائي لديها بنية الكريستالات. قياسات مماثلة، كما هو موضح في الشكل 3E، أشار سبيكة قصف أيون مع بنية تشبه متبلور وتحتوي على خليط من مو، سي، وحزب العمال في نسبة 2: 4: 1. وأكد على واحدة من الكريستال موس 2 nanoflake مزيد من EDX وSAED القياسات، والتي تظهر في الشكل 3F.

للاتصال أومية ملفقة باستخدام طريقة الترسيب الاكذوبه، في موس 2 النانو متعددة الطبقات مع سمك مختلفة، وG والقيم سيجما يمكن أن يكون مصمما على وجه التحديد. ويبين الشكل 4A إحصاء القيم G لnanoflakes موسي 2 مع سمك مختلفة. ويمكن أن يلاحظ أن لا تظهر قيمة G تغيير ملاحظتها أو تغير في سمك أكثر من أوامر من حجمها. هذه الملاحظة هي نقيض للتنبؤات النظرية، التي تنص على G يعتمد خطيا على سمك (ر) لتدفق التيار موحد وغير WRإتن كما

المعادلة 1

حيث A هي مساحة للنقل الحالي، ول، ث، ور هي الطول والعرض، وسمك للموصل على التوالي.

ويمكن الحصول على قيمة σ باستخدام المعادلة (1) يبين الشكل 4B الموصلية بوصفها وظيفة من سمك (σ - ر). قيمة الزيادات سيجما بأكثر من اثنين من حيث الحجم، من 4.6 إلى 1500 Ω - 1 سم - 1 عندما ر يقلل من 2700 إلى 6 نانومتر. يتم الحصول β، حيث تبلغ قيمة β المجهزة هي 0.93 - وهو معكوس بقانون القوة σ ∞ ر. قيم σ (0،1-1 Ω - 1 سم - 1) 36-38 (ر: 10-100 ميكرون) وتقع أيضا على خط المجهزة.

من حيث المبدأ، σ هو خاصية ذاتية دون أي آثار البعد. الاعتماد سمك قوي σ يعني أن التوصيل الحالي بشكل أساسي على سطح المادة طبقة موس 2. إذا كان مسار التوصيل السطح عدة أوامر من حجم أعلى من الجزء الأكبر، لا يزيد من قيمة G ويصبح ثابت، حتى لو كانت زيادات سمك.

الشكل 1
الشكل 1: إجراءات تصنيع الجهاز وتوصيف الكهربائي موسي 2 nanoflakes الخطوة 1: الأوصاف المورفولوجية والهيكلية للموز 2 الجزء الأكبر بلورات طبقة XRD ورامان الطيفي. الخطوة 2:تقشير الميكانيكية من بلورات طبقة بالجملة من قبل تقطيع الشريط ومراقبة التشكل من رقائق جردت من قبل FESEM. الخطوة 3: القطب تلفيق nanoflakes التي كتبها FIB حزب العمال الترسيب. الخطوة 4: أكمل الجهاز عن طريق تركيب شريحة العينة على الركيزة الميكا وسلك الربط مينا على الأقطاب من رقاقة عجينة حج. خطوة 5: تحميل العينة في محطة التحقيق المبردة. خطوة 6: تنفيذ I - V قياس وتحليل البيانات.

الرقم 2
الشكل 2: I - V منحنى، FESEM، وقياسات AFM لعامين ومحطة اربع موسي الأجهزة 2 nanoflake (أ) I - منحنيات V تقاس طريقة يومين التحقيق في درجة حرارة الغرفة لnanoflakes موسي 2.مع سمك مختلفة في 11، 240، و 1،300 نانومتر. (ب) I - منحنيات V تقاس يومين التحقيق وأربعة مسبار الطرق في درجة حرارة الغرفة لnanoflake موسي 2 مع سمك في 33 نانومتر. الصور FESEM التمثيلية لل(ج) واثنين من المحطة و (د) في أربع سنوات الطرفية 2 أجهزة موسي ملفقة من قبل نهج الاكذوبه. (ه) صورة نموذجية AFM) و (صورتها ارتفاع مستعرضة على طول الخط الأزرق في (ه) لجهاز موسي 2 مع سمك في ~ 60 نانومتر. (أعيد طبعها بإذن من المرجع 28، حقوق الطبع والنشر @ وIOP النشر المحدودة)

الشكل (3)
الرقم 3: HRTEM، SAED، وEDX يحلل ل2 واجهة حزب العمال / موسي في الجهاز (. أ) صورة TEM مستعرضة لل/ موسي واجهة 2 أشباه الموصلات حزب العمال المعادن في الجهاز nanoflake موسي 2 (ر ~ 110 نانومتر) ملفقة من قبل نهج الاكذوبه. التسميات رقمية تشير إلى مناطق مختلفة للتحقق HRTEM، SAED، ويحلل EDX. 1: حزب العمال القطب المعدني، 2: المنطقة قصفت ايون سبيكة، 3: 2 موس متعدد الطبقات، و4: سبائك / موس 2 واجهة. الصورة HRTEM من (ب) واجهة سبيكة / موسي 2 (بقعة 4) و (ج) المنطقة موسي 2 (البقعة 3). أطياف EDX والمقابلة أنماط SAED ل(د) القطب حزب العمال (بقعة 1) و (ه) في المنطقة سبيكة (بقعة 2)، و (و) وموسي 2 nanoflake (البقعة 3)، على التوالي. (أعيد طبعها بإذن من المرجع 28، حقوق الطبع والنشر @ وIOP النشر المحدودة)

JPG "العرض =" 550 "/>
الرقم 4: الموصلية السماكة التي تعتمد في موس 2 nanoflakes (أ) تصرف الكهربائية و (ب) قطعة أرض سجل سجل للقيم الموصلية الكهربائية للnanoflake موسي 2 مع سمك مختلفة تراوحت بين 6 إلى 2700 نانومتر تقاس سنتين مسبار (نجمة صلبة زرقاء) وأربعة مسبار (النجمة الزرقاء مفتوحة) الأساليب. يتم رسم القيم التوصيل من بلورات الأكبر موسي 2 التي حصلت عليها قياساتنا (الأخضر دائرة مفتوحة) ومن المراجع أيضا للمقارنة. وموسي 2 المعظم بدون المعلومات سمك في المراجع. 32، 33، 34 ويفترض أن يكون أعلى من 10 ميكرون ومستويات الموصلية يمثلها الأسهم الخضراء. خط اندفاعة الأحمر هو خط المناسب لالموصلية مقابل البيانات سمك nanoflakes موسي 2. (أعيد طبعها بإذن من المرجع 28، حقوق الطبع والنشر @ وIOP النشر المحدودة)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تحديد دقيق لقيمة σ والاعتماد بعدها في البلورات النانوية طبقة يعتمد بشكل كبير على جودة الاتصالات الكهربائية. طريقة ترسب الاكذوبه استخدامها لترسيب المعدن الكهربائي لعبت دورا حاسما في كل مراحل الدراسة. وفقا لالكهربائية، ويحلل الهيكلي، والتكوين، وتلفيق من الاتصالات أومية مستقرة وقابلة للتكرار للغاية، وذلك باستخدام طريقة الترسيب الاكذوبه، في الأجهزة موس 2 أو موس 2 سهلها تشكيل سبائك موصل غير متبلور بين المعدن حزب العمال وموسي 2 طبقة أشباه الموصلات. هيكل سبائك معيبة على سطح موسي 2 أن يظهر كثافة الناقل عالية يمكن أن تقلل بشكل فعال تأثير شوتكي للإتصال به. الملوثات سطح أشباه الموصلات، مثل أكاسيد والهيدروكربونات الأم، التي تعتبر عموما أن تنشأ من الطبقة العازلة بين المعدن والاتصالات أشباه الموصلات، يمكن القضاء عليها بواسطة شعاع ايون القصف. القضاء يمكن أن تفسر مقاومة اتصال منخفضة في الأجهزة طبقة الكريستال ملفقة الاكذوبه ترسب.

على الرغم من أن التجارب طريقة ترسب الاكذوبه يوفر اتصالات أومية موثوقة لتصنيع الكهربائي النانو طبقة أشباه الموصلات، وكان التباعد الحد الأدنى بين أقطاب معدنية محدودة. وتمت السيطرة عليه ليكون أعلى من 1 ميكرومتر في هذه الدراسة. والسبب الرئيسي لهذا الحد هو أن المعدن الكهربائي المودعة الاكذوبه ليس لديها حواف واضحة والجدران الجانبية الحادة بسبب توزيع جاوس من تدفق الأيونات شعاع في الاتجاه شعاعي. عدم وجود حواف واضحة والجدران الجانبية الحادة يمكن أن يؤدي إلى تلوث سطح المادة وماس كهربائى إذا أودعت قطبين قريبة جدا من بعضها البعض (عادة أقرب من 500 نانومتر).

بالإضافة إلى ذلك، معالجة المواد في البيئة شعاع أيون حتما الأضرار سطح المادة، لياقرع إلى تغير في خواص المواد الأصيلة. لتجنب الأضرار المحتملة على سطح المادة من قبل شعاع أيون خلال الاكذوبه الترسيب، حاولنا تقليل الوقت ايون التعرض شعاع. عادة، فإن معظم خطوات الإجراء (بما في ذلك اختيار البلورات النانوية مناسبة، ورسم خرائط الموقف، وتسجيل الصور) أجريت في البداية في وضع SEM. في وقت لاحق، وتحول الوضع إلى وضع الاكذوبه. ولذلك، تعرضت سطح العينة لشعاع أيون لفترة قصيرة إلى حد كبير (في وضع لقطة)، وهو ما يعادل الوقت الذي يستغرقه لتعمل على وضع الاكذوبه لتحديد المناطق حزب العمال المودعة. وعلاوة على ذلك، يمكن توفير حماية السطح بواسطة طلاء مادة العضوية العازلة (مثل bathocuproine) على النانوية طبقة قبل فيب ترسب (لم يرد ذكرها في البروتوكول).

EBL، وهو الأسلوب الأكثر استخداما على نطاق واسع، يمكن أن توفر تباعد أصغر بكثير بين أقطاب (أقصر من 100 نانومتر) مقارنة مع الاكذوبهالترسيب. الأضرار المحتملة للمواد درس يمكن الوقاية منها باستخدام EBL. ومع ذلك، يتطلب EBL استخدام المقاومة. لأن الاستئصال الكامل للمقاومة المغلفة على سطح المادة صعبة، ومقاومة المتبقية يمكن أن يؤدي إلى مقاومة اتصال عالية بين المعدن الاتصال والمواد التي تمت دراستها. هذه المشكلة يقلل من العائد من الاتصالات أومية كبير ويعيق استخدام EBL كوسيلة مسرى مكروي تلفيق. لذلك، يمكن أن تقنية الاكذوبه يكون خيارا جيدا للمسرى مكروي تلفيق مع الاتصال أومية موثوقة وقابلة للتكرار بالإضافة إلى EBL.

ومع ذلك، في هذه الدراسة، وسمك الحد الأدنى من موسي 2 المواد طبقة يصل فقط 6 نانومتر (حوالي 9-10 الطبقات الوحيدة). جودة الاتصال الكهربائية للمواد طبقة سامسونج بسماكة أقل من 5 الطبقات الوحيدة لا تزال مجهولة. ومن المتوقع أن منطقة التماس في المواد طبقة سامسونج قد يكون مخلوط تماما لأن سبيكة حزب العمال مو سيسمك (25-30 نانومتر) الناجم عن القصف أيون هو أعلى من سمك المادة. لا تزال تحتاج إلى مزيد من العمل لوضع تأثير سبيكة على الممتلكات الاتصال أومية باستخدام نهج الاكذوبه.

في الواقع، تم تطوير طريقة ترسب الاكذوبه أساسا لطحن المواد أو النقش على الميكرومتر والنانومتر المقاييس. ترسب المعادن هو مجرد التوسع في استخدام طريقة لطلاء أو حماية الأسطح المواد. ومع ذلك، في هذا التقرير، اعتمد أسلوب ترسب الاكذوبه لتصنيع الاتصال أومية في النانو طبقة أشباه الموصلات. وقد سهلت مراقبة تأثير سمك على خصائص النقل في هذه المواد النانوية 2D باستخدام طريقة الترسيب الاكذوبه. وقد تم تلفيق الكهربائي في ميكرومتر أو submicrometer النطاق مع نوعية موثوق بها الاتصال أومية تحديا وأمر حاسم لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل توصيف الكهربائية الأساسية للمواد متناهية الصغر، والقضاء على اتصال resistance للتجهيز جهاز إلكتروني، ومعدنة المحلية السطوح المادية. المظاهرة من مسرى مكروي تصنيع المواد النانوية على طبقة باستخدام طريقة الترسيب الاكذوبه يمكن أن تكون بمثابة مرجعية حاسمة ومفيدة للباحثين ومهندسين في المستقبل في الأوساط الأكاديمية والصناعة.

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

الهندسة، العدد 106، شعاع تركز أيون (الاكذوبه)، الاتصال أومية، طبقة أشباه الموصلات، والموليبدينوم ثنائي سيلينيت (موس
أومية الاتصال التصنيع باستخدام تقنية تركز أيون شعاع وتوصيف الكهربائية للطبقة أشباه الموصلات النانوية
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