Waiting
Login processing...

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

Engineering

Ohmsk Kontakt Fabrication Ved hjælp af en Fokuseret-ion Beam Teknik og elektrisk karakterisering for 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

Layer halvledere med let forarbejdede todimensionale (2D) strukturer udviser indirekte-til-direkte bandgap overgange og overlegen transistor ydeevne, som tyder en ny retning for udviklingen af ​​næste generation af ultratynde og fleksible fotoniske og elektroniske apparater. Forbedret luminescenskvantumudbytte effektivitet er blevet bredt observeret i disse atomisk tynde 2D krystaller. Men dimension virkninger ud kvante indeslutning tykkelser eller endda på mikrometer skala forventes ikke, og er sjældent blevet observeret. I denne undersøgelse, molybdæn diselenide (MoSe2) lag krystaller med en tykkelse række 6-2,700 nm blev fremstillet som to- eller fire-terminale enheder. Ohmsk kontakt-dannelse blev med succes opnået ved den fokuserede-ionstråle (FIB) deposition metode under anvendelse af platin (Pt) som en kontakt metal. Layer krystaller med forskellige tykkelser blev fremstillet ved simpel mekanisk delaminering ved hjælp af terninger tape. Aktuel spænding kurve measurements blev udført for at bestemme ledningsevne værdien af ​​laget nanokrystaller. Desuden høj opløsning transmissionselektronmikroskopi, Selected-Area elektron diffraktion, og energi-dispersiv røntgenspektroskopi blev anvendt til at karakterisere grænsefladen af metal-halvleder kontakt af FIB-fabrikerede MoSe2 enheder. Efter anvendelse af metoder, blev væsentlig tykkelse afhængig elektrisk ledningsevne i en bred vifte tykkelse for MoSe2-laget halvleder observeret. Ledningsevnen er steget med over to størrelsesordener fra 4,6 til 1.500 Ω - 1 cm - 1, med et fald i tykkelse fra 2.700 til 6 nm. Hertil kommer, at temperaturafhængige ledningsevne viste, at de tynde MoSe2 multilag udviste betydeligt svagt halvledende adfærd med aktiveringsenergier af 3,5-8,5 MeV, som er betydelig mindre end dem (36-38 MeV) af bulk. ProbaDer foreslås ble overfladeaktive dominerende transportegenskaber og tilstedeværelsen af et højt overfladeareal elektron koncentration i MoSe2. Kan opnås lignende resultater for andre lag halvledermaterialer såsom MoS2 og WS 2.

Introduction

Overgangsmetalforbindelser dichalcogenides (TMDS), såsom MoS 2, Mose 2, WS 2, og WSE 2, har en interessant todimensional (2D) lagstruktur og halvledende egenskaber 1-3. Forskere har for nylig opdaget, at monolag struktur MoS2 viser en øget betydeligt lysemitterende effektivitet på grund af kvante indespærring virkning. Fundet af den nye direkte båndgab halvledermateriale har tiltrukket betydelig opmærksomhed 4-7. Hertil kommer, at let strippet lagstruktur TMDS er en fremragende platform for at studere de fundamentale egenskaber ved 2D materialer. I modsætning til metalliske graphene uden båndgab, TMDS har iboende halvledende egenskaber og har en båndgab i området fra 1-2 eV 1,3,8. 2D strukturer af ternære forbindelser med TMDS 9 og muligheden for integration af disse forbindelser med graphene give en hidtil uset opportunity at udvikle ultratynde og fleksible elektroniske enheder.

I modsætning til graphene, de rumtemperaturen elektron mobilitet værdier af 2D TMDS er på et moderat niveau (1-200 cm2 V - 1 sek - 1 for MoS februar 10-17, cirka 50 cm 2 V - 1 sek - 1 til Mose 2 18 ). De optimale mobilitet værdier af graphen er blevet rapporteret til at være højere end 10.000 cm2 V - 1 sek -. JANUAR 19-21 desto mindre halvledende TMD monolag udviser fremragende enhed ydeevne. For eksempel er de MoS 2 og Mose 2 monolag eller flerlags felt-effekt transistorer udviser ekstremt høje on / off-forhold, op til 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. Derfor er det afgørende at forstå de grundlæggende elektriske egenskaber af 2D TMDS ogIR bulk materialer.

Imidlertid har undersøgelser af de elektriske egenskaber af laget materialer er delvis hæmmet på grund af vanskeligheden ved at danne god ohmsk kontakt på laget krystaller. Tre metoder, skygge maske deposition (SMD) 23, elektronstråle litografi (EBL) 24,25, og fokuseret-ionstråler (FIB) aflejring, 26,27 er blevet brugt til at danne elektriske kontakter på nanomaterialer. Fordi SMD involverer typisk anvendelse af en kobber-nettet som masken, afstanden mellem to kontaktløse elektroder er for det meste større end 10 um. I modsætning til EBL og FIB aflejring, metal aflejring af elektrode arrays på et substrat udføres uden at målrette eller valg af nanomaterialer af interesse i SMD-metoden. Denne fremgangsmåde kan ikke garantere, at metal mønstre korrekt aflejres på individuelle nanomaterialer som elektroderne. Resultatet af SMD metode har et element af tilfældighed. EBL og FIB deposition metoder anvendes iscanningselektronmikroskop systemet (SEM); nanomaterialer direkte kan observeres og udvalgt til elektrode deposition. Desuden kan EBL bruges til nemt at fremstille metalelektroder med en linjebredde og en kontaktelektrode afstand mindre end 100 nm. Men den resterende modstå på nanomateriale overfladen venstre under litografi uundgåeligt resulterer i dannelsen af ​​et isolerende lag mellem metallet elektroden og nanomateriale. Således EBL fører til en høj kontaktmodstand.

Den største fordel ved elektroden fabrikation gennem FIB deposition er, at det fører til lav kontaktmodstand. Fordi metalaflejring udføres ved nedbrydning af en organometallisk precursor ved hjælp af en ionstråle på det afgrænsede område, metal deposition og ionbombardement forekomme samtidig. Dette kunne ødelægge metal-halvleder-interface og forhindre dannelsen af ​​Schottky kontakt. Ion bombardementet kan også fjerne overfladeforurening såsom Hydrocardrider og indfødte oxider, hvilket nedsætter kontaktmodstand. Ohmsk kontakt fabrikation gennem FIB deposition er blevet påvist for forskellige nanomaterialer 27-29. Hertil kommer, at hele fremstillingsprocedure i FIB deposition fremgangsmåde er enklere end den, EBL.

Som layer halvledere typisk viser stærkt anisotrop elektrisk ledning, ledningsevnen i laget-til-lags retning er flere størrelsesordener lavere end i in-plane retning 30,31. Denne egenskab forøger vanskeligheden ved at fremstille ohmske kontakter og bestemme den elektriske ledningsevne. Derfor i denne undersøgelse blev FIB belægning, der bruges til at studere de elektriske egenskaber af halvleder nanostrukturer lag.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Strukturel karakterisering af Mose 2 Layer Krystaller (se trin 1 i figur 1)

  1. XRD Måling Procedure
    1. Montere en MoSe2 lag krystal (med størrelsesområdet 5 x 5 x 0,1-10 x 10 x 0,5 mm 3) eller krystaller pulver (som blev blandet med kvarts pulver og bindemiddel og blev smurt på objektglasset) på holderen.
    2. Tryk holderen ved et dias glas for at sikre lag krystal overflade parallelt til indehaveren overflade.
    3. Indlæs prøve holderen ind i Diffractometer.
    4. Luk dørene til diffraktometer.
    5. Kalibrere stråleledning overensstemmelse med producentens instruktioner.
    6. Måling input parametre, såsom 2 scannings område (10-80 °), tilvæksten (0,004 °), og holdetiden (0,1 sek).
    7. Start DIFFRAC.Measurement Center-programmet på computeren er knyttet til Diffractometer og derefter gemme data og navn datafil ifølge producentens protocol.
    8. Analyser XRD mønster ved at identificere positioner diffraktionstoppe ved hjælp af softwaren, og derefter sammenligne med den standard data fra JCPDS kort database for at bekræfte den enkelte ud af planet orientering og single-krystallinske kvaliteten af Mose 2 lag krystaller 32,33 .
  2. Mikro-Raman måleprocedure
    1. Udfør Raman kalibrering ved hjælp af en siliciumskive som standardprøven. Målingen af siliciumskiven er den samme som den nedenfor beskrevne procedure for den interesserede MoSe2 lag krystal.
    2. Montere en Mose 2 lag krystal på dias glas.
    3. Læg objektglasset indehaveren af ​​optiske mikroskop og fokusere prøveoverfladen med en hvid lyskilde.
    4. Skift lyskilden fra et hvidt lys for en laserstråle (bølgelængde ved 514 nm).
    5. Måling input parametre såsom bølgetalsområdet scanning interval (150-500 cm-1), den integration tid (10 sek), og antallet af scanning gange (10-30 gange).
    6. Start programmet på computeren knyttet til Raman spektrometer og derefter gemme data og navn datafil i overensstemmelse med producentens protokol.
    7. Analyser Raman spektrum ved at identificere deres peak bredder og holdninger ved hjælp af softwaren, og derefter sammenligne med standard data fra referencer til at bekræfte den krystallinske struktur typen og kvaliteten af de Mose 2 lag krystaller 34,35.

2. Fabrikation af Mose 2 Layer nanocrystal Devices

  1. Mekanisk Eksfoliering af Layer Krystaller
    1. Rene pincet med acetone og alkohol.
    2. Pluk Mose 2 lag krystaller (4 til 8 stykker) med en skinnende overflade (dvs. spejl-lignende krystal ansigt) og et område større end 0,5 x 0,5 mm 2 med pincet og læg dem på opskæringen bånd med et areal størrelse 20 x 60 mm 2.
    3. Fold båndet i halve for at eksfoliere laget krystal og gentage handlingen ca. tyve gange. Normalt lag krystaller kan strippes til mange mikrometer-størrelse krystaller i bredden (se trin 2 i figur 1).
    4. Læg opskæring i skiver bånd med laget nanocrystal pulveret i SEM kammer for at overholde de størrelser og morfologier af disse strippet Mose 2 lags mikrokrystal. Hvis bredden fordelinger af laget nanocrystal er i 1-20 um, kan nanokrystallen pulver opfylder kriterierne for enhedens opspind.
  2. Spredning af laget Nanokrystaller på Device Skabelon
    1. Placer afpudses tape med laget nanokrystal pulver hovedet på enheden skabelon. Skabelonen er SiO2 (300 nm) overtrukne silicium substrat med seksten pre-mønstret Ti (30 nm) / Au (90 nm) elektroder på SiO2 overflade (se trin 4 i figur 1). Området størrelse skabelonen er 5 x 5 mm
    2. Tryk på opskæringen tapen let at foretage nogle nanokrystaller (ca. 10 til 100 stykker) falder på skabelonen.
    3. Kontrollér antallet tæthed og dispersion tilstand nanokrystallen på skabelonen ved optisk mikroskop eller undertiden ved SEM, hvis de dispergerede nanokrystaller kan ikke observeres ved optisk mikroskop. Sædvanligvis 2 til 5 stykker af nanokrystaller (areal større end 2 x 2 um 2) dispergeret på midten firkant (med areal på 80 x 80 um 2) af skabelonen uden overlapning til hinanden er de bedre stand til næste FIB behandling .
  3. Elektrode Fabrikation af FIB
    1. Mount skabeloner på FIB indehaveren hjælp ledende kobberfolie tape. Typisk blev området af ledende tape på 3 x 2,4 cm2 kræves til montering 6-8 skabeloner.
    2. Læg holderen i FIB kammer.
    3. Evakuere kammeret til vakuum grad ned til 10 -5 mbar ved at klikke på knappen"Pumpe".
    4. Indstil elektronstråle strøm (41 pA) og acceleration spænding (10 kV) til SEM-tilstand.
    5. Indstil ionstrålestrøm (0,1 nA) og acceleration spænding (30 kV) for FIB-tilstand.
    6. Varm op ionstrålen systemet og gas-injektion-(GIS) ved at klikke på knappen "stråle på" og knappen "Cold" i "Gas Injection" blok, hhv.
    7. Tænd for elektron-stråle ved at klikke på knappen "Beam On" og fokusere billedet ved en lav forstørrelse på 100X.
    8. Indstil z-axial arbejdsafstand (WD) ved 10 mm til SEM-tilstand.
    9. Indstil forstørrelsen ved 5,000X og fokus.
    10. Indstil hældningsvinklen af ​​holderen til 52 grader ved at klikke på knappen "Navigation" og input hældningsvinklen "52".
    11. Vælg en MoSe2 lag nanocrystal med en vis tykkelse (i området fra 5 til 3000 nm) og en rektangulær og kvadratisk form for elektroden fabrication.
    12. Tag SEM billeder ved forskellige forstørrelser (fra 1.000X til 10.000X) af det målrettede uberørt materiale, før elektroden fabrikation ved at klikke på knappen "Snapshot".
    13. Skift til FIB mode og tage et FIB billede ved snapshot mode for at reducere eksponeringen tidspunktet for den målrettede materiale under ionstrålebombardement.
    14. Definer elektroden deposition område, skal du vælge "Pt aflejring" mode, og indtast tykkelsen (0,2-1,0 um) værdien af ​​den deponerede Pt elektroden.
    15. Indføre kapillarrøret af GIS ind i kammeret ved at klikke på boksen "Pt dep" i "Gas Injection" blok.
    16. Tag et billede af snapshot-mode igen og ændre placeringen af ​​elektroderne, hvis den oprindeligt definerede mønster skifter lidt.
    17. Tænd for FIB aflejring ved at klikke på knappen "Start mønstring".
    18. Efter aflejring, tegne kapillarrøret af GIS tilbage ved unclicking boksen "Pt dep "i" Gas Injection "blok.
    19. Skift til SEM mode og kontrollere resultatet af de deponerede Pt elektroder på laget nanocrystal.
    20. Tag SEM billeder ved forskellige forstørrelser af den færdige enheder med to eller fire elektroder (se trin 3 i figur 1).
    21. Indstil hældningsvinklen af ​​holderen tilbage til 0 grader ved at klikke på knappen "Navigation" og input hældningsvinklen "0".
    22. Tag top-set SEM billeder ved forskellige forstørrelser for skøn af materialet bredde og elektrode mellem afstand ved at klikke på knappen "Snapshot".
    23. Sluk elektron-beam og ion-stråle-systemer og køle ned GIS-system ved at klikke på knappen "Beam Off" og knappen "Varm" i "Gas Injection" blok, hhv.
    24. Vent kammeret ved at indføre nitrogengas ved at klikke på knapperne "lufte" og derefter tage holderenud af kammeret. Det tager typisk 5 til 10 minutter for at afslutte processen udluftning.
    25. Kammeret lukkes døren og evakuere kammeret.

3. karakteriseringer af Mose 2 Layer nanocrystal Devices

  1. Tykkelse Måling af laget Nanokrystaller ved AFM
    1. Installer AFM cantilever til sonden indehaveren.
    2. Tænd AFM-programmet og vælg "ScanAsyst" mode.
    3. Indlæs sonden holder og forbinde det med laser diode leder af AFM station.
    4. Udføre kalibreringen at tilpasse den indfaldende laserstråle position og udliggeren ifølge producentens protokol.
    5. Monter prøven (skabelonen chip med FIB-fabrikeret lag nanocrystal enheder) på indehaveren af ​​prøven ved Cu folie tape.
    6. Indlæs prøve holderen til AFM station.
    7. Flyt prøve holderen til positionen omtrent under laserstrålen eller AFM cantilevER.
    8. Sænk ned AFM cantilever til fokus position ved at fokusere den optiske mikroskop billede af laget nanocrystal.
    9. Input scan parametre som scanningsområdet (6 x 6-30 x 30 um 2), frekvensen (0,5-1,5 Hz), og opløsning (256-512 linjer).
    10. Start programmet og gemme data i henhold til fabrikantens protokol.
    11. Hæv AFM cantilever og tage prøveholderen ud.
    12. Indlæse den anden prøve og gentag proceduren måling beskrevet ovenfor, hvis behov.
    13. Vurdere tykkelsen af ​​lag nanokrystaller ved at analysere AFM billede og højde profil ved hjælp af softwaren "Nanoscope Analysis". Vælg en lateral højdeprofil fra AFM billedet og bestemme den gennemsnitlige tykkelse værdi ved flatten område af profilet. (Se figur 2d og 2e)
  2. Nuværende versus spænding (IV) måling af laget nanokrystaller
    1. Mountprøven (skabelonen chip med FIB-fabrikeret lag nanocrystal enheder) på glimmer substrat ved Cu folie tape.
    2. Bond de lakerede ledninger eller Cu tråde på elektroderne i chippen af ​​Ag pasta. (Se trin 4 i figur 1).
    3. Læg afsluttet prøve i sonden stationen kammeret og ordne det på holderen prøven ved Cu folie tape. Den kryogene sonde station var placeret i mørke omgivelser. (Se trin 5 i figur 1).
    4. Lodde elektriske ledninger af prøven og metalelektroderne af proberne én efter én.
    5. Cap kammeret toppen og evakuere kammeret ned til 10 -4 mbar. Prøven til 77 K Køl ned ved at indføre flydende nitrogen ind i sonden stationen. Indstil temperaturområdet (sædvanligvis 80-320 K), interval, og opholdstiden for temperaturstyring. (Kun nødvendig for temperaturafhængige måling).
    6. Sæt den påtrykte spænding fejende område (typisk fra -1 til 1 V), spænding interval (0,01 V), og den begrænsede maksimale strøm (10 eller 100 uA) i et ultrahøjt impedans multifunktionelle elektrometer for to-terminale IV måling. For fire-terminale måling, indstille påførte strøm fejende område (typisk fra -100 til 100 uA) og den aktuelle interval (1 uA).
    7. Start programmet og gemme data IV ved stuetemperatur eller ved forskellige temperaturer.
    8. Åbn kammeret hætten om nødvendigt og tage prøven ud af kammeret.
    9. Indlæse den anden prøve, hvis behov og gentag proceduren beskrevet ovenfor.
    10. Analyser IV kurve ved at plotte den målte strøm versus påtrykt spænding data ved hjælp af softwaren. Monter IV kurve ved at vælge Lineær Fitting funktion. Kontroller linearitet IV kurve og få hældningen værdi (dvs. ledningsevne værdi). (Se trin 6 i figur 1).
    11. Gentag trin 3.2.10 for IV kurver measured ved forskellige temperaturer, hvis behov.
    12. Beregne værdien ledningsevne (σ) i henhold til ligningen σ = G (t / tw) ved at vedtage de parametre, der opnås ved IV, SEM, og AFM målinger, herunder ledningsevne (G), tykkelse (t), bredde (w) og længde ( l) af laget nanokrystallens.
    13. Plot kurverne af konduktans og ledningsevneværdier versus tykkelse lag nanokrystaller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De fundne værdier af elektriske konduktans (G) og ledningsevne (σ), i lag nanomaterialer med forskellige tykkelser er stærkt afhængig af kvaliteten af de elektriske kontakter. De ohmske kontakter FIB-deposition fabriksfremstillede to-terminal MoSe2 enheder er karakteriseret ved at måle den aktuelle spænding (I - V) kurve. Rumtemperaturen I - V kurver for de topolede MoSe2 nanoflake enheder med forskellige tykkelser er vist i figur 2a. De I - V kurver følger en lineær sammenhæng. Dette bekræfter den ohmske kontakt tilstand Mose 2 enheder.

. Delvise enheder med fire elektroder blev fremstillet til yderligere udelukke den potentielle effekt af kontakt modstand Figur 2b viser den typiske I - V kurver målt ved to-electrode og fire-elektrode metoder ved stuetemperatur for samme nanoflake med en tykkelse på 33 nm. De beregnede o værdier for de to-probe og fire-probe målinger er på 117 og 118 Ω - 1 cm - 1 hhv. Fordi o værdier beregnet ved hjælp af to-probe og fire-probe målinger for de samme enheder var meget ens, påvirkning af kontakt modstand de bestemte G og o værdier i denne undersøgelse var ubetydelig. Figur 2c og 2d illustrerer repræsentative felt-emission scanning elektron mikroskop (FESEM) billeder af to-terminal og fire-terminal mose 2 anordninger. Tykkelserne af Mose 2 nanoflakes på enhederne blev estimeret ved hjælp af atomic force mikroskopi (AFM) målinger; en måleprøve er vist i figur 2e og 2f.

Metallet-halvleder-interface af den elektriske kontakt i Mose 2 enheder blev yderligere undersøgt ved hjælp af høj opløsning transmission elektron mikroskopi (HRTEM), valgt-området elektron diffraktometri (Saed), og energi-dispersive røntgen spektroskopi (EDX). Figur 3a viser tværsnit transmissionselektronmikroskopi (TEM) billede af Pt / MoSe2 interface. Billedet viser, at en legering lag (25-30 nm) blev dannet mellem Pt og MoSe2 grund af ionstrålebombardement. HRTEM billeder af legeringen / MoSe2 grænseflade (spot 4, figur 3b) og regionen MoSe2 (spot 3, figur 3c) viser en amorf legering dannet på overfladen af en enkelt krystal MoSe2.

EDX spektrum og ringen mønster af Saed i figur 3d viser, at Pt er hovedbestanddelen, og at metallet elektroden har en polykrystallinsk struktur. Lignende målinger, Vist i figur 3e, viste en ion-bombarderet legering med en amorf struktur, og som indeholder en blanding af Mo, Se og Pt i et forhold på 2: 4: 1. Den fælles-krystal Mose 2 nanoflake blev yderligere bekræftet af EDX og Sæd målinger, som er vist i figur 3f.

For ohmsk kontakt fremstillet ved hjælp af FIB deposition metoden i MoSe2 flerlags nanostrukturer med forskellige tykkelser, G og o værdier kan bestemmes præcist. Figur 4a viser de statistiske G-værdier for MoSe2 nanoflakes med forskellige tykkelser. Det kan bemærkes, at G-værdi ikke viser en observerbar ændring eller en ændring i tykkelsen over to størrelsesordener. Denne observation er modsat teoretiske forudsigelser, hvorefter G er lineært afhængig af tykkelsen (t) for en ensartet strøm og er WRItten som

Ligning 1

Hvor A er arealet for aktuelle transport og l, w og t er længden, bredden og tykkelsen af lederen, henholdsvis.

. Den σ værdi kan opnås ved anvendelse af ligning (1) Figur 4b viser ledningsevnen som funktion af tykkelsen (σ - t). Værdien af o stiger med over to størrelsesordener, fra 4,6 til 1.500 Ω - 1 cm - 1, når t falder fra 2.700 til 6 nm. En omvendt power-lov σ ∞ t - β opnås, når monteret β værdi 0,93. De o værdier (0,1-1 w - 1 cm - 1) 36-38 (t: 10-100 um) er også placeret på den tilpassede linje.

I princippet σ er en iboende egenskab uden dimension virkninger. Den stærke tykkelse afhængighed σ indebærer, at strømledende sker hovedsageligt ved overfladen af MoSe2 lagmateriale. Hvis overfladen ledningsvej er flere størrelsesordener højere end bulk, betyder G-værdi ikke stige, og bliver en konstant, selv hvis tykkelsen forøges.

Figur 1
Figur 1:. Procedure for enheden fabrikation og elektrisk karakterisering af Mose 2 nanoflakes Trin 1: Morfologiske og strukturelle karakterisering af Mose 2 bulklaget krystaller ved XRD og Raman spektroskopi. Trin 2:Mekanisk eksfoliering af bulk lag krystaller ved afpudses tape og observere morfologi strippet flager af FESEM. Trin 3: Elektrode fremstilling af nanoflakes af FIB Pt deposition. Trin 4: Afslut enheden ved at montere prøven chip på glimmer substrat og limning lakerede tråd på elektroderne i chippen af ​​Ag pasta. Trin 5: Læg prøven i kryogene sonde station. Trin 6: Udfør I - V måling og analysere dataene.

Figur 2
Figur 2: I - V kurve, FESEM og AFM målinger på to- og fire terminal Mose 2 nanoflake enheder (a) I - V kurver målt ved to-sonde-metoden ved stuetemperatur til Mose 2 nanoflakes.med forskellige tykkelser på 11, 240 og 1.300 nm. (B) I - V kurver målt ved de to-probe og fire-probe metoder ved stuetemperatur i en Mose 2 nanoflake med en tykkelse på 33 nm. De repræsentative FESEM billeder af (c) de to-terminalen og (d) de fire-terminale MoSe2 enheder fremstillet ved FIB tilgang. (E) En typisk AFM billede og (f) dens tværsnit højdeprofil langs den blå linie i (e) for en MoSe2 enhed med tykkelsen på ~ 60 nm. (Gengivet med tilladelse fra ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

Figur 3
Figur 3: HRTEM, Saed og EDX analyser til Pt / Mose 2 grænsefladen i enheden (. a) tværsnit TEM billede af Pt metal / MoSe2 halvleder-interface i MoSe2 nanoflake enhed (t ~ 110 nm) fremstillet ved FIB tilgang. De numeriske etiketter angiver de forskellige tast-regioner for HRTEM, Saed og EDX analyser. 1: Pt metalelektrode, 2: ion-bombarderet legering regionen, 3: Mose 2 multilayer, og 4: legering / Mose 2 interface. Den HRTEM billede af (b) legeringen / Mose 2 interface (spot 4), og (c) 2-region Mose (plet 3). EDX spektre og de ​​tilsvarende Sæd mønstre for (d) Pt elektroden (spot 1), (e) legeringen region (spot 2), og (f) MoSe2 nanoflake (spot 3), henholdsvis. (Gengivet med tilladelse fra ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

jpg "width =" 550 "/>
Figur 4:. Tykkelse-afhængig ledningsevne i MoSe2 nanoflakes (a) Den elektriske ledningsevne og (b) log-log plot af den elektriske ledningsevne værdier for MoSe2 nanoflake med forskellige tykkelser i området fra 6 til 2.700 nm målt ved to- sonde (blå fast stjerne) og fire-sonde (blå åben stjerne) metoder. Ledningsevnen værdier af Mose 2 bulk-krystaller opnået ved vores målinger (grøn åben cirkel) og fra referencerne også plottet til sammenligning. Den Mose 2 bulks uden tykkelsen oplysninger i Refs. 32, 33, 34 antages at være højere end 10 um, og deres ledningsevne niveauer er repræsenteret ved grønne pile. Den røde streg linje er montering linje for ledningsevne versus tykkelse data for Mose 2 nanoflakes. (Gengivet med tilladelse fra ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den nøjagtige bestemmelse af σ værdi og dets dimensioner afhængighed i Layer nanokrystaller er stærkt afhængig af kvaliteten af de elektriske kontakter. FIB deposition metode, der anvendes til metalelektrode aflejring spillet en afgørende rolle i hele undersøgelsen. Ifølge elektriske, strukturelle, og sammensætning analyser, fremstilling af stabile og yderst reproducerbare ohmske kontakter, hjælp FIB deposition metode, i Mose 2 eller MoS 2 enheder blev lettet ved dannelsen af den amorfe ledende legering mellem Pt metal og Mose 2 lag halvleder. Det defekte legering struktur på MoSe2 overflade, der udviser en høj densitet bærer effektivt kunne minimere effekten af Schottky kontakt. De overfladeforurening af halvledere, såsom indfødte oxider og kulbrinter, som generelt anses for at stamme fra det isolerende lag mellem metallet og halvleder kontakterKan elimineres ved ionstrålebombardement. Elimineringen kan forklare den lave kontakt modstand i FIB-deposition-fabrikeret lag krystaller.

Selvom den eksperimentelle FIB deposition metode giver pålidelige ohmske kontakter til elektroden fremstilling af lag halvleder nanostrukturer, den minimale afstand mellem metalelektroderne var begrænset. Det blev kontrolleret til at være over 1 um i denne undersøgelse. Den væsentligste årsag til begrænsning er, at FIB-afsatte metal elektrode ikke har klare og skarpe kanter sidevægge på grund af den gaussiske fordeling af ionstrålen flux i den radiale retning. Manglen på klare og skarpe kanter sidevægge kan resultere i materialeforurening overflade og en elektrisk kortslutning, hvis to elektroder er deponeret for tæt på hinanden (typisk tættere end 500 nm).

Desuden forarbejdningshastighed i ionstrålen miljøet uundgåeligt skader materialeoverfladen, leading til en ændring af de iboende materialeegenskaber. For at undgå potentiel skade på materielle overflade ved ionstrålen under FIB deposition, vi har forsøgt at minimere ionstrålen eksponeringstid. Typisk er de fleste af de trin i proceduren (herunder udvælgelse af egnede nanokrystaller, kortlægning af position, og optagelse af billeder), blev oprindeligt udført i SEM-tilstand; Efterfølgende blev skiftet til tilstanden FIB tilstand. Derfor prøveoverfladen blev udsat for ionstrålen for et betydeligt kort tid (i snapshot tilstand), hvilket svarede til den tid, der opererer ved FIB-tilstand til at identificere Pt deponerede områder. Endvidere kan overfladebeskyttelse tilvejebringes ved at overtrække et isolerende organisk materiale (såsom bathocuproine) på laget nanokrystal før Fib deposition (ikke nævnt i protokollen).

EBL, som er den mest udbredte metode kan give en meget mindre afstand mellem elektroderne (kortere end 100 nm) i forhold til FIBdeposition. Potentielle skader på de undersøgte materialer kan forebygges ved anvendelse EBL. Men EBL kræver anvendelse af en resist. Fordi fuldstændig fjernelse af resist overtrukket på materialeoverfladen er vanskelig, den resterende modstå kan resultere i høj modstand kontakt mellem kontakten metal og det undersøgte materiale. Dette problem reducerer udbyttet af ohmske kontakter betydeligt, og begrænser anvendelsen af ​​EBL som mikroelektrode fremstillingsmetode. Derfor kan FIB teknik være et godt valg for mikroelektrode fabrikation med pålidelig og reproducerbar ohmsk kontakt foruden EBL.

Men i denne undersøgelse, er det kun den minimale tykkelse MoSe2 lagmateriale når 6 nm (ca. 9-10 monolag). Den elektriske kontakt kvalitet til den ultratynde lag materialer med en tykkelse mindre end 5 monolag er stadig ukendt. Det forventes, at kontaktområdet i ultratynde lag materialer kan være totalt legeret fordi Pt-Mo-legering Setykkelse (25-30 nm) induceret af ionbombardement er højere end materialetykkelsen. Yderligere arbejde er stadig forpligtet til at udarbejde legeringen effekt på den ohmske kontakt ejendommen ved hjælp FIB tilgang.

I virkeligheden blev FIB deposition metode udviklet primært til materiale formaling eller ætsning på mikrometer og nanometer skalaer. Metaludfældning er kun en udvidet anvendelse af fremgangsmåden til coating eller beskyttelse materialeoverflader. Men i denne rapport, blev FIB deposition metode er vedtaget for ohmske kontakt fabrikation i lag halvleder nanostrukturer. Observationen af ​​tykkelsen effekt på transportegenskaber i disse 2D nanomaterialer blev lettet ved anvendelse af FIB deposition metode. Elektrode fabrikation i mikrometer eller submikrometer skala med pålidelig ohmsk kontakt kvalitet har været en udfordring, og er afgørende for en lang række applikationer, såsom grundlæggende elektrisk karakterisering af nanomaterialer, eliminering af kontakt resistivafstand til elektronisk anordning behandling, og lokale metallisering af materielle overflader. Demonstrationen af ​​mikroelektrode fabrikation på lag nanomaterialer ved hjælp af FIB deposition metode kan tjene som en afgørende og nyttig reference for fremtidige forskere og ingeniører i den akademiske verden og industrien.

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 fokuseret-ion beam (FIB) ohmsk kontakt lag halvleder molybdæn diselenide (Mose Molybdændisulfid (MoS Elektrisk ledningsevne atomic force mikroskopi (AFM) høj opløsning transmission elektron mikroskopi (HRTEM) valgt-området elektron diffraktometri (Saed) energi-dispersiv røntgen spektroskopi (EDX)
Ohmsk Kontakt Fabrication Ved hjælp af en Fokuseret-ion Beam Teknik og elektrisk karakterisering for 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