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Engineering

오믹 접촉 제조 집중 이온 빔 기술 및 전기 특성 계층 반도체 나노 구조를 위해 사용

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

가공이 쉬운 2 차원 구조를 갖는 층 반도체는 차세대 초박형 유연한 광자 및 전자 디바이스의 개발에 대한 새로운 방향을 제시 간접 투 직접 밴드 갭 전환 및 우수한 트랜지스터 성능을 나타낸다. 향상된 발광 양자 효율이 원자 적으로 널리 얇은 2D 결정에서 관찰되었다. 그러나, 양자 구속 두께 이후 또는 심지어 마이크로 미터 스케일의 치수 효과가 기대되지 않고, 거의 관찰되지 않았다. 이 연구에서, 몰리브덴 diselenide (모스 2) 2 차원 또는 4 단자 소자로서 제작 하였다 6-2,700 nm의 두께의 범위로 결정 층을 포함한다. 오믹 접촉 형성이 성공적 콘택트 금속으로서 백금 (백금)를 사용하여 집속 이온 빔 (FIB) 퇴적 법에 의해 달성되었다. 다양한 두께와 레이어 결정 다이 싱 테이프를 사용하여 간단한 기계적인 각질 제거를 통해 제조 하였다. 전류 - 전압 곡선 measuremenTS는 나노 결정 층의 전도도 값을 결정하기 위해 수행되었다. 또, 고분해능 투과형 전자 현미경은, 선택된 영역의 전자 회절, 및 에너지 분산 형 X 선 분광법 FIB-제조 모스 2 장치의 금속 - 반도체 콘택의 계면의 특성을 이용 하였다. 방법을 적용한 후, 모스 2 -layer 반도체 용 넓은 두께 범위에서 실질적인 두께 의존성 전기 전도도가 관찰되었다. 2,700에서 6 nm의 두께의 감소와 함께 - 1 1cm - 전도도는 1500 Ω 4.6에서 크기의 두 개의 원 이상 구매시 증가했다. 또한, 온도 의존성 전도성 얇은 모스 2 다층막은 벌크들 (36-38 meV 인)보다 상당히 작다 meV 인 3.5에서 8.5 사이의 활성화 에너지, 상당히 약한 반도체 성 거동을 나타내 것으로 나타났다. ProbaBLE면 지배적 수송 특성 및 모스 2 고 표면 전자 농도의 존재가 제안되어있다. 유사한 결과가도 2 및 MOS 등 WS 2 층과 같은 다른 반도체 재료를 얻을 수있다.

Introduction

이러한 MOS 2 모스 2, WS 2, WSE 2 같은 전이 금속 dichalcogenides (TMDS)은, 관심 2 차원 층상 구조 및 반도체 특성을 가지고 1-3. 최근에 과학자들은 MOS (2)의 단층 구조로 인해 양자 구속 효과에 실질적으로 향상된 발광 효율을 나타낸다는 것을 발견했다. 새로운 다이렉트 밴드 갭 반도체 재료의 발견은 상당한 관심을 끌고있다 4-7. 또한, TMDS의 쉽게 박리 층 구조는 2D 물질의 기본적인 성질을 연구하기위한 우수한 플랫폼이다. 밴드 갭이없는 금속 그라 달리 TMDS 내재 반도체 특성을 가지고, 1-2 1,3,8 eV의 범위의 밴드 갭을 갖는다. TMDS 9의 삼원 계 화합물 및 그래 핀과 이들 화합물의 통합 가능성 차원 구조를 제공하는 전례 OPPortunity은 초박형 및 유연한 전자 장치를 개발.

모세 2 18 - 1 약 50cm 2 V - 1 초 - 1 초 - 1 MOS 2월 10일부터 17일까지을위한 그래 핀과는 달리, 2D TMDS의 실온 전자 이동도 값은 중간 수준 (1~200센티미터 2 V에있다 ). 1 초 - -. 1 19-21 그럼에도 반도체 TMD 단층이 우수한 소자 성능을 나타낼 그래 핀의 이동도 최적 값은 높은 10,000cm 2 V보다 것으로보고되었다. 예를 들어, 10 (6) -10 (9) 10,12,17,18,22까지 온 / 오프 비율에 매우 높은 모스 2 모스 2 단층 또는 다층 전계 효과 트랜지스터 전시. 따라서, 2D 및 TMDS의 기본적인 전기적 특성을 이해하는 것이 중요IR 대량 재료.

그러나, 층의 물질의 전기적 성질의 연구가 부분적으로 인해 결정 층에 양호한 오믹 접촉을 형성하는데 어려움 방해되었다. 세 가지 방법, 새도우 마스크 증착 (SMD) (23), 전자빔 리소그래피 (EBL) (24, 25), 및 초점 이온 빔 (FIB) 증착은, (26, 27)은 나노 물질에 전기 접점을 형성하기 위해 사용되어왔다. SMD는 일반적으로 마스크로서 구리 그리드의 사용을 포함하기 때문에, 두 개의 접촉 전극 사이의 간격은 10 ㎛의보다 거의 더 크다. EBL 및 FIB 증착 달리 기판상의 전극 어레이의 금속 증착 또는 타겟팅 SMD 방식에 대한 관심의 나노 물질을 선택하지 않고 수행된다. 이 방법은 금속 패턴이 정확하게 개별 나노 전극 상에 증착되는 것을 보장 할 수 없다. SMD 방식의 결과는 기회의 요소를 갖는다. EBL과 FIB 증착 방법에 사용되는주사 전자 현미경 (SEM) 시스템; 나노는 직접 관찰 전극 증착을 위해 선택 될 수있다. 또한 EBL 용이 선폭 100nm보다 작은 간격 접촉 전극과 금속 전극을 제조하는데 사용될 수있다. 그러나, 잔류 리소그래피 불가피 금속 전극과 나노 물질 사이에 절연 층의 형성을 초래하는 동안 남아 나노 물질 표면에 레지스트. 따라서, EBL은 높은 접촉 저항을 이끈다.

FIB 증착 관통 전극 제조의 가장 큰 장점은 낮은 접촉 저항을 초래한다는 것이다. 금속 증착이 한정된 영역에서의 이온 빔을 이용하여 유기 금속 전구체의 분해에 의해 수행되므로, 금속 증착 및 이온 충격이 동시에 발생한다. 이것은 금속 반도체 인터페이스를 파괴 및 쇼트 키 콘택의 형성을 방지 할 수있다. 이온 충격 또한 hydrocar 같은 표면 오염물을 제거 할 수있다접촉 저항을 감소 BONS 네이티브 산화물,. FIB 증착 오믹 접촉을 통해 제조 된 나노 물질은 다른 27-29 대해 입증되었다. 또한, FIB 증착 방법에서 전체 제조 과정 EBL에 비해 간단하다.

반도체 층은 일반적으로 고도의 이방성 전기 전도 쇼로, 층간 방향의 전도성은 면내 방향 (30, 31)에 비해 수십배 더 낮다. 이 특성은 오믹 접점을 제조하고 전기 전도도를 결정하는 어려움을 증가시킨다. 따라서, 본 연구에서, FIB 증착 층은 반도체 나노 구조의 전기적 특성을 연구 하였다.

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Protocol

모세 2 층 크리스탈 (그림 1의 1 단계 참조) 1. 구조 특성

  1. XRD 측정 절차
    1. 또는 홀더 (석영 분말과 바인더를 혼합하고, 슬라이드 글래스에 도말 하였다) 결정 분말 (5 × 5 × 0.1 X 10 X 0.5 mm 3의 크기 범위로) 모스 2 층 크리스탈 마운트.
    2. 홀더 표면에 결정 층의 표면과 평행하게되도록하여 슬라이드 글래스 홀더를 누른다.
    3. 회절에 샘플 홀더를 넣습니다.
    4. 회절의 문을 닫습니다.
    5. 제조업체의 지침에 따라 빔 라인을 보정합니다.
    6. 입력 측정 등이 주사 범위 (10 ~ 80 °) 등의 파라미터, 증분 (0.004 °), 및 유지 시간 (0.1 초).
    7. 회절에 연결된 컴퓨터에 DIFFRAC.Measurement 센터 프로그램을 시작하고 제조업체의 프로토에 따라 데이터와 이름 데이터 파일을 저장안부.
    8. 소프트웨어를 사용하여 회절 피크의 위치를 식별하여 XRD 패턴을 분석하고 모스 2 층의 결정 (32, 33) 중 하나의 방향의 평면 아웃 및 단일 결정 품질을 확인 JCPDS 카드 데이터베이스의 표준 데이터와 비교 .
  2. 마이크로 라만 측정 절차
    1. 표준 시료로서 실리콘 웨이퍼를 사용하여 라만 장비 교정을 수행한다. 실리콘 웨이퍼의 측정은 관심 모스 2 층의 결정에 대해 아래에 설명 된 절차와 동일하다.
    2. 슬라이드 글라스에 모스 2 층 크리스탈을 탑재합니다.
    3. 광학 현미경의 홀더에 슬라이드 글라스를 넣고 백색 광원과 시료 표면에 초점을 맞 춥니 다.
    4. 레이저 빔 (514 nm의 파장)에 흰색 빛의 광원을 전환합니다.
    5. 같은 파수 스캔 범위로 입력 측정 파라미터 (150-500cm -1), integrATION 시간 (10 초), 주사 횟수 (10-30 시간).
    6. 라만 분광기에 연결된 컴퓨터에서 프로그램을 시작하고 다음 데이터와 제조 업체의 프로토콜에 따라 이름 데이터 파일을 저장합니다.
    7. 그들의 피크 폭 및 소프트웨어를 사용하여 위치를 식별함으로써 라만 스펙트럼을 분석하고 모스 2 결정 층 (34,35)의 결정 구조의 종류와 품질을 확인하기 위해 참조 표준에서의 데이터와 비교한다.

모세 2 층 나노 결정 장치 2. 제작

  1. 레이어 크리스탈 기계 각질 제거
    1. 아세톤과 알코올로 청소 핀셋.
    2. 반짝이 표면 모스 2 층 결정 (4~8 개)를 선택 (즉, 거울처럼 결정면)와 핀셋 영역 크기보다 큰 0.5 × 0.5 mm (2)의 영역 크기와 다이 싱 테이프에 넣어 20 × 60mm 2.
    3. 약 20 배를 층 크리스탈 각질을 제거하고 작업을 반복 반으로 테이프를 접습니다. 일반적 층 결정 폭 (도 1의 단계 2 참조)에 많은 마이크로 미터 크기의 결정으로 제거 될 수있다.
    4. 이러한 제거 모세 2 층 미결정의 크기와 형태 학적 관찰하는 현미경 실에 레이어 나노 분말 다이 싱 테이프를 넣습니다. 나노 결정 층의 분포 폭이 1~20 μm의 경우에, 나노 분말 제조 장치에 대한 기준을 충족 할 수있다.
  2. 장치 템플릿에 레이어 나노 결정의 분산
    1. 장치 템플릿 레이어 나노 분말 거꾸로와 다이 싱 테이프를 넣습니다. 템플릿의 SiO2 인 여섯 프리 패터닝의 Ti (30 ㎚) / 금 (90 ㎚)의 SiO2 표면에 전극 (300 ㎚) 코팅 된 실리콘 기판 (도 1의 공정 4 참조). 템플릿의 영역 크기는 5 × 5mm이고
    2. 일부 나노 결정 (약 10 ~ 100 개) 템플릿에 가을을 가볍게 다이 싱 테이프를 누릅니다.
    3. 분산 된 나노 광학 현미경으로 관찰 할 수는 없습니다 경우 광학 현미경으로 때로는 현미경에 의해 템플릿에 나노 결정의 수 밀도 및 분산 상태를 확인합니다. 보통 2 서로 중복없이 템플릿 (80 X 80 μm의 2 영역) 중앙 광장에 분산 된 나노 결정의 5 개 (영역 크기보다 큰 2 × 2 μm의 2)에 다음 FIB 처리를위한 더 나은 조건이다 .
  3. FIB에 의해 전극 제작
    1. 마운트 전도성 동박 테이프를 사용 FIB 홀더 템플릿. 통상적으로, 3 × 2.4 cm (2)의 테이프를 행하는 영역 6-8 템플릿 실장에 필요 하였다.
    2. FIB 챔버에 홀더를 넣습니다.
    3. 버튼을 클릭하여 10-5 mbar에서 아래로 진공도에 실을 대피"펌프".
    4. SEM 모드 전자 빔 전류 (41 PA) 및 가속 전압 (kV의 10)을 설정한다.
    5. FIB 모드 이온빔 전류 (0.1 NA) 및 가속 전압 (kV의 30)을 설정한다.
    6. 각각 "가스 주입"블록과 버튼 "콜드"버튼 "에 빔"을 클릭하여 이온 빔 시스템 및 가스 주입 시스템 (GIS)를 따뜻하게.
    7. 버튼 "빔"을 클릭하여 전자 빔을 켜고 100 배의 낮은 배율로 이미지에 초점을 맞 춥니 다.
    8. SEM 모드 10mm에서 Z 축 작동 거리 (WD)을 설정합니다.
    9. 5000 배의 배율을 설정하고 초점을 맞 춥니 다.
    10. 버튼 "탐색"및 입력 경사각 "52"을 클릭하여도 52에 홀더의 경사 각도를 설정한다.
    11. 전극 FABRICA (5에서 3,000 nm의 범위) 일정 두께와 모스 2 층 나노 결정과 직사각형과 정사각형 모양을 선택기.
    12. 버튼 "스냅 샷"을 클릭하여 전극을 제조하기 전에 대상으로 자연 그대로의 재료 (1000 배에서 10000까지) 다른 배율의 SEM 이미지를 가져 가라.
    13. 모드 집속 이온빔을 이온빔 충격 하에서 대상 물질의 노출 시간을 감소시키기 위해 스냅 사진 모드가 FIB 화상을 전환.
    14. 증착 된 Pt 전극 (0.2 내지 1.0 μm의) 값, 두께, 전극 증착 영역을 정의 "편 증착"모드를 선택하고, 입력.
    15. "가스 주입"블록의 상자 "백금 출발"을 클릭하여 챔버로 GIS의 모세관을 소개합니다.
    16. 다시 스냅 샷 모드로 이미지를 가지고 원래 정의 된 패턴이 약간 이동하면 전극의 위치를​​ 수정합니다.
    17. 버튼을 "시작 패터닝"를 클릭하여 FIB 증착를 켭니다.
    18. 증착 한 후, 다시 "백금 D 상자를 unclicking하여 GIS의 모세관을 그립니다가스 주입 "블록"의 "EP.
    19. SEM 모드로 전환 층 나노 결정에 증착 된 백금 전극의 결과를 확인한다.
    20. 두 개 또는 네 개의 전극 (그림 1의 3 단계 참조) 완성 된 장치의 다른 배율의 SEM 이미지를 가져 가라.
    21. 버튼 "탐색"입력 경사각 "0"을 클릭하여 0도에 홀더 반환의 기울기 각도를 설정합니다.
    22. 버튼 "스냅 샷"을 클릭하여 재료의 폭 및 전극 간 거리의 추정​​에 대해 서로 다른 배율에서 최상위 볼 SEM 이미지를 가져 가라.
    23. 각각 전자 빔 및 이온 빔 시스템의 전원을 끄고 "가스 주입"블록에있는 버튼 "빔 Off"로하고 버튼 "따뜻한"를 클릭하여 GIS 시스템을 냉각.
    24. 버튼 홀더을 다음 "환기"를 클릭하여 도입 질소 가스에 의해 챔버 환기챔버 중. 그것은 일반적으로 배출 공정을 완료 5~10 분 걸린다.
    25. 챔버 문을 닫고 챔버 대피.

모스 2 층 나노 결정 장치의 3 요소 특성 분석

  1. AFM에 의해 레이어 나노 결정의 두께 측정
    1. 프로브 홀더에 AFM 캔틸레버를 설치합니다.
    2. AFM 프로그램의 전원을 켜고 "ScanAsyst"모드를 선택합니다.
    3. 프로브 홀더를로드 AFM 스테이션의 레이저 다이오드 헤드와 연결.
    4. 입사 레이저 빔 위치 및 제조자의 프로토콜에 따라 캔틸레버를 정렬 교정을 수행한다.
    5. 구리 호일 테이프하여 샘플 홀더에 샘플 (FIB 제작 된 레이어 나노 결정 장치와 템플릿 칩)를 탑재합니다.
    6. AFM 역에 샘플 홀더를 넣습니다.
    7. 레이저 빔 또는 AFM의 cantilev 대략 아래 위치로 샘플 홀더를 이동어.
    8. 나노 결정 층의 광학 현미경 이미지를 집중하여 포커스 위치에 AFM 캔틸레버를 내려.
    9. 이러한 스캔 영역 (6 × 6-30 X 30 μm의 2), 주파수 (Hz에서 0.5 ~ 1.5), 해상도 (256-512 선) 등의 입력 스캔 매개 변수를 설정합니다.
    10. 프로그램을 시작하고 제조 업체의 프로토콜에 따라 데이터를 저장합니다.
    11. AFM 캔틸레버를 올리고 샘플 홀더를 꺼내.
    12. 만약 필요 위에서 설명한 측정 절차를 두 번째 샘플을로드하고 반복합니다.
    13. 소프트웨어 "나노 스코프 분석"을 사용하여 AFM 이미지 높이 프로파일을 분석하여 나노 결정 층의 두께를 추정한다. AFM 이미지에서 측면 높이 프로파일을 선택하고 프로파일의 패턴 화 된 영역에서 평균 두께 값을 결정한다. (그림 2D 및 2E 참조)
  2. 나노 결정 층의 전류 대 전압 (IV) 측정
    1. 산구리 호일 테이프로 운모 기판에 샘플 (FIB 제작 된 레이어 나노 결정 장치와 템플릿 칩).
    2. Ag 페이스트에 의한 칩의 전극 상에 에나멜 와이어 또는 구리 와이어 본드. (그림 1의 4 단계를 참조하십시오.)
    3. 프로브 스테이션 실에서 완성 된 샘플을로드하고는 구리 호일 테이프하여 샘플 홀더에 고정합니다. 극저온 프로브 스테이션은 어두운 환경에 위치했다. (그림 1의 5 단계를 참조하십시오.)
    4. 샘플의 전기 배선과 하나 프로브 하나의 금속 전극을 납땜.
    5. 챔버 상부 캡 아래 10-4 밀리바에 실을 대피. 프로브 스테이션에 액체 질소를 도입하여 77 K까지 시료를 냉각. 온도 범위 (일반적으로 80 내지 320 K)의 간격을 설정하고, 온도 제어에 대한 드웰 시간. (단 온도에 따라 측정에 필요한).
    6. 전압 INTE (-1에서 1 V로 일반적으로)인가 전압 청소 범위를 설정rval에 (0.01 V), 및 2 단자 IV 측정 초고 임피던스 다기능 전위계의 제한된 최대 전류 (10 또는 100 μA). 4 단자 측정에 대해, (전형적으로 -100 내지 100 μA)에서인가되는 전류 범위 및 전류 주사 간격 (1 μA)를 설정한다.
    7. 프로그램을 시작하고, 실온에서 또는 다른 온도에서 IV 데이터를 저장한다.
    8. 필요한 경우 챔버 뚜껑을 열고 챔버에서 샘플을 채취.
    9. 필요하다면 제 2 샘플을 로딩하고 상기 절차를 반복한다.
    10. 소프트웨어를 사용하여인가 전압 데이터 대 측정 된 전류를 플롯하여 IV 곡선을 분석한다. 선형 피팅 함수를 선택하여 IV 커브를 장착한다. IV 곡선의 선형성을 확인하고 경사 값 (즉 컨덕턴스 값)을 얻었다. (그림 1에서 6 단계를 참조하십시오.)
    11. IV 곡선 m에 대한 단계 3.2.10을 반복필요하면 다른 온도에서 easured.
    12. IV, SEM에 의해 얻어진 매개 변수를 채용하여 방정식 σ = G (t / TW)에 따른 도전율 (σ) 값을 계산하고, 컨덕턴스 (G), 두께 (t), (w)의 폭과 길이 (포함 AFM 측정 레이어 나노 결정의 L).
    13. 나노 결정 층의 두께에 비해 전기 전도도 및 전도도 값의 곡선을 그린다.

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Representative Results

두께가 다른 나노 물질 층의 전기 전도도 (G) 및 전도도 (σ)의 결정된 값은 전기 접점의 품질에 크게 의존한다. FIB 증착 제작 된 2 단자 모스의 오믹 컨택 2 장치는 전류 - 전압 (I - V) 측정에 의해 특징 곡선. 실온 I - 두께가 다른 2 단자 모스 2 나노 플레이크 장치 V 곡선은도 2a에 도시되어있다. I - V 곡선은 선형 관계를 따릅니다. 이것은 디바이스 2 모스 오믹 접촉 상태를 확인한다.

. V 곡선 두 ELE 의해 측정 - 네 전극 부분이 상기 장치의 접촉 저항의 잠재적 효과를 배제하기 위해 제작되었다도 2b를하면 I가 전형적인를 도시33 nm의 두께와 같은 나노 플레이크 실온에서 ctrode 및 4 전극 방법. 두 프로브, 4 탐침 측정을위한 계산 σ 값은 117, 118 Ω에있다 - 1cm - 1 각각. 동일한 장치에 두 프로브, 4 탐침 측정을 사용하여 계산 σ 값은 매우 비슷하기 때문에,이 연구에서 결정된 G 및 σ 값에 대한 접촉 저항의 영향은 무시할 수 있었다.도 2C 및 2D는 대표적인 전계 발광을 예시 2 단자 및 4 단자 모스 2 장치의 주사 전자 현미경 (FESEM) 이미지 각각. 단말기 모스 2 nanoflakes의 두께는 원자 힘 현미경 (AFM) 측정을 이용하여 추정 하였다; 시료 측정은도 2E 및 2F에 도시된다.

모스 2 장치의 전기 접점의 금속 - 반도체 인터페이스는 상기 고해상도 투과 전자 현미경 (HRTEM), 선택 영역 전자 회절 (SAED) 및 에너지 분산 X 선 분광법 (EDX)을 사용하여 조사 하였다.도 도 3a의 Pt / 모스 2 인터페이스의 단면 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지를 보여준다. 화상은 합금 층 (25 ~ 30 nm의) 때문에 이온빔 포격 Pt 및 모스 (2) 사이에 형성되었음을 보여준다. 합금 / 모스 2 인터페이스의 HRTEM 이미지 (지점 4, 그림 3B)과 모스 2 지역 (지점 3,도 3c)는 단일 결정의 표면 모스 (2)에 형성된 비정질 합금을 보여줍니다.

EDX 스펙트럼도에서의 링 SAED 패턴은 Pt를 주성분 보여 3d 및 금속 전극이 다결정 구조를 가지고있다. 비슷한 측정도 3E에 도시 된, 비정질 형 구조를 가진 이온 포격을 지시 합금 및 2의 비율로 몰리브덴, 셀레늄, 및 Pt의 혼합물을 함유하는 4 : 1이다. 단결정 나노 플레이크 모스 2는 상기도 3f에 도시되어 EDX 및 SAED 측정에 의해 확인 하였다.

오믹 접촉이 FIB 증착법을 이용하여 제조를 들어, 모세의 두께가 다른 2 다층 나노 구조물은, G와 σ 값을 정확하게 측정 할 수있다.도 4a는 상이한 두께와 모스 2 nanoflakes 대한 통계 G 값을 나타낸다. 이것은 G 값이 관측 가능한 변화 또는 2 차의 크기에 걸쳐 두께의 변화를 보이지 않는 것을 볼 수있다. 이 관찰은, 이론적 인 예측에 대향 G가 균일 한 전류 흐름을위한 두께 (t)에 의존하고 직선적 인 WR에있어서itten로

식 (1)

여기서는 현재 전송을위한 영역과, L은 w,이고, t는 각각 도체의 길이, 폭 및 두께이다.

. σ의 값이 수학 식을 이용하여 얻을 수있다 (1)도 4b는 막 두께의 함수로서 전도성을 나타낸다 (σ - t). 1cm - - (1) t는 감소 할 때 2,700에서 나노 6 4.6에서 1,500 Ω에 크기의 두 개의 원 이상 구매시에 의해 σ의 값이 증가. 역 전원 법 σ의 ∞의 T - 장착 β 값이 0.93이고 β는 얻을 수있다. σ 값 (0.1 Ω - 1cm - 1) 36-38 (T : 10 ~ 100 μm의)도 장착 라인에 있습니다.

원칙적으로, σ는 모든 사이즈에 효과가없는 고유 속성입니다. σ의 강한 두께 의존성 전류 전도는 주로 모스 2 층 물질의 표면에서 발생하는 것을 의미한다. 표면 전도 경로는, G 값이 증가하지 않는 벌크보다 수십배이고 심지어 두께가 증가하면, 일정이되면.

그림 1
그림 1 :. XRD 및 라만 분광법에 의해 모세 2 벌크 층 결정의 형태 학적 및 구조적 특성 분석 : 장치 제조 및 모스 2 nanoflakes의 전기적 특성에 대한 절차는 1 단계. 단계 2 :다이 싱 테이프와 FESEM에 의해 벗겨진 조각의 형태를 관찰함으로써 벌크 층 결정의 기계적 박리. 3 단계 : FIB 편 nanoflakes 증착에 의하여 전극의 제조. 4 단계 : Ag 페이스트에 의한 칩의 전극 상 운모 기판과 본딩 와이어에 에나멜 시료 칩을 탑재하여 장치를 완성. 5 단계 : 극저온 프로브 스테이션에로드 샘플. 6 단계 : I 수행 - V 및 측정 데이터를 분석한다.

그림 2
도 2 : I - V 곡선, 2 차원 및 4 중 단말기 FESEM 및 AFM 측정 모스 2 나노 플레이크 장치 (a) I - 모스 2 nanoflakes 실온에서 두 탐침 법에 의해 측정 된 V 곡선.11, 240, 1300 nm에서의 두께가 다른. (b) I - 33 nm의 두께를 갖는 나노 플레이크 모스 2 실온에서 두 프로브 및 4 프로브 방법에 의해 측정 된 V 곡선. (c) 2 단자와 (d) FIB 방식으로 제조 4 단자 모스 2 장치의 대표적인 FESEM 이미지. 60 나노 ~의 두께 모스 2 장치 (E) 전형적인 AFM 이미지 및 (f) (E)에서 파란색 선을 따라 단면 높이의 프로필. (참고 문헌의 허가 재판. (28), 저작권 안압 출판 회사 @)

그림 3
그림 3 : HRTEM, SAED 및 EDX 장치에 백금 / 모스 2 인터페이스에 대한 분석 (. ) FIB 방식으로 제조 모스 2 나노 플레이크 장치 (t ~ 110 ㎚)에서의 Pt 금속 / 모스 2 반도체 계면의 단면 TEM 화상. 숫자 라벨 HRTEM, SAED위한 프로빙 다른 영역을 나타내고, EDX 분석. 1 : 백금 금속 전극, 2 : 이온 폭격 합금 영역, 3 : 2 다층 모스, 4 : 합금 / 모스 2 인터페이스. (b)는 합금 / 모스 2 인터페이스 (지점 4) 및 (c) 모스 2 지역 (지점 3)의 HRTEM 이미지. EDX 스펙트럼은 각각 (D)의 Pt 전극 (지점 1), (E) 합금 영역 (스폿 (2)) 및 (f) 상기 2의 나노 플레이크 모스 (스팟 3)에 대한 대응 SAED 패턴. (참고 문헌의 허가 재판. (28), 저작권 안압 출판 회사 @)

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도 4 :. 모스 2 nanoflakes의 두께 의존성 전도도 (a) 전기 전도도 및 (b) 두께가 다른 모스 2 나노 플레이크에 대한 전기 전도도 값의 로그 - 로그 플롯 (6)으로부터 2 차원으로 측정 2,700 nm의 범위였다 프로브 (청색 고체 스타), 4 프로브 (파란색 열린 스타) 방법. 우리의 측정 (녹색 백색 원)에 의해 그리고 참고 문헌에서 얻은 2 모스 벌크 결정의 전도도의 값도 비교 플롯. 모세 2는 참고 문헌의 두께 정보없이 벌크. 32, 33, 34 이상 10 ㎛ 또는 그 도전 레벨이 녹색 화살표로 표시되는 것으로 가정된다. 빨간 점선은 모스 2 nanoflakes의 두께 데이터 대 전도도의 피팅 라인입니다. (참고 문헌의 허가 재판. (28), 저작권 안압 출판 회사 @)

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Discussion

σ 값과 상기 나노 결정 층에서의 사이즈에 대한 의존성의 정확한 결정은 전기 접점의 품질에 크게 의존한다. 금속 전극을 증착에 사용되는 FIB 증착법은 연구 내내 결정적인 역할을 하였다. 에 따른 전기적, 구조 및 조성은 백금 금속 및 모스 (2) 사이의 상기 비정질 도전 합금의 형성에 의해 촉진되었다 모스 2 MOS 2 장치에서, FIB 증착법을 이용하여, 안정적이고, 재현성이 높은 오믹 콘택트의 제조를 분석 레이어 반도체. 높은 캐리어 밀도를 도시 모스 2 표면 결함 합금 구조를 효과적으로 쇼트 키 콘택의 영향을 최소화 할 수있다. 일반적으로 이러한 금속과 반도체 사이의 접촉 절연막에서 발생하는 것으로 간주된다 네이티브 산화물 및 탄화수소와 같은 반도체의 표면 오염물이온 빔 충돌에 의해 제거 될 수있다. 제거는 FIB 증착 제작 된 층의 결정 소자에서 낮은 접촉 저항을 설명 할 수있다.

실험 FIB 증착법 층 반도체 나노 구조의 전극을 제작하기위한 신뢰할 수있는 옴 접촉을 제공하지만, 금속 전극 사이의 최소 간격은 제한되었다. 이는이 연구에서 1 ㎛ 이상이되도록 제어 하였다. 제한의 주된 이유는 FIB 증착 금속 전극으로 인해 반경 방향으로 이온 빔 플럭스의 가우스 분포의 명확한 날카로운 가장자리와 측벽을 가지고 있지 않다는 것이다. 두 전극 (일반적으로 가까운 500 ㎚) 서로 너무 가까이 입금하는 경우 명확한 가장자리와 날카로운 측벽의 부족은 재료 표면 오염 및 전기 단락이 발생할 수 있습니다.

또한, 이온빔 환경 재료 처리 필연적 손해 재료 표면 레아고유의 재료 특성의 변화에​​ 땡. FIB 증착 동안, 이온 빔에 의해 재료 표면에 대한 잠재적 손상을 방지하기 위해 이온 빔의 노출 시간을 최소화하기 위해 시도했다. 전형적으로, 초기에 SEM 모드에서 수행 하였다 (적합한 나노 선택 위치를 매핑 및 이미지 촬영 포함) 절차의 대부분의 단계; 이어서, 모드 FIB 모드로 전환시켰다. 따라서, 샘플 표면은 편 FIB를 식별하기위한 모드에서 동작하는 데 걸리는 시간에 대응 (스냅 샷 모드) 상당히 짧은 시간 동안 이온 빔에 노출 된 부분을 증착 하였다. 또한, 표면 보호를 집속 이온빔 증착 이전에 나노 결정 층 (하지 프로토콜에서 언급)에 유기 재료를 절연막 (예 bathocuproine)을 도포함으로써 제공 될 수있다.

가장 널리 사용되는 방법이다 EBL은, FIB에 비하여 전극 간 훨씬 작은 간격 (100nm보다 짧은)를 제공 할 수있다침적. 연구 재료에 대한 잠재적 인 손상 EBL을 사용함으로써 방지 될 수있다. 그러나, EBL은 레지스트의 사용을 요구한다. 이 소재 표면에 도포 된 레지스트의 완전한 제거가 어렵 기 때문에, 잔여는 콘택트 금속과 연구 재료 사이의 높은 접촉 저항을 초래할 수 레지스트. 이 문제는 상당히 오믹 콘택트의 수율을 감소시키고, 미세 전극의 제조 방법으로서 EBL의 사용을 방해한다. 그러므로 FIB 기술은 EBL 이외에 안정적이고 재현성있는 오믹 접촉 미세 전극 제작을위한 좋은 선택이 될 수있다.

그러나, 본 연구에서, 모스 2 층 물질의 최소 두께는 단지 6 내지 (약 9-10 단층)에 도달한다. 두께가 5 미만 단층으로 얇은 층의 재료에 대한 전기 접속의 품질이 아직 알려져 있지 않다. 이것은 초박막 층 재료의 접촉 면적이 완전히 합금화 될 수 있음을 예상 백금 - 몰리브덴 - 셀레늄 합금 때문에이온 충격에 의한 두께 (25 ~ 30 나노 미터)의 재료 두께보다 높다. 추가 작업은 여전히​​ FIB 방식을 사용하여 오믹 접촉 특성에 합금 효과 정교 할 필요가있다.

실제로, FIB 증착법는 마이크로 미터 및 나노 미터 스케일에 소재 밀링 또는 에칭을 위해 주로 개발되었다. 금속 증착 또는 코팅 재료의 표면을 보호하기위한 방법의 확장 된 사용이다. 그러나,이 보고서에서, FIB 증착 방법은 반도체 층에 오믹 접촉 나노 구조물 제조를 위해 채택되었다. 이러한 2 차원의 나노 물질 수송 특성에 두께 효과 관찰 FIB 증착법의 사용에 의해 촉진되었다. 신뢰할 수있는 오믹 접촉 품질 마이크로 미터 마이크로 미터 이하 규모의 전극 제조는 도전을과 같은 나노 물질의 기본적인 전기적 특성, 연락처 resis의 제거와 같은 응용 프로그램의 다양한 중요했다전자 디바이스 제작을위한 tance 및 소재 표면의 금속 지방. FIB 증착 방법을 사용하여 레이어 나노 물질에 미세 전극 제조의 데모는 학계 및 업계에서 미래의 연구자와 엔지니어에게 매우 중요하고 유용한 참고 자료로 역할을 할 수 있습니다.

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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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References

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공학 문제 (106) 집중 이온 빔 (FIB) 오믹 접촉 층 반도체 몰리브덴 diselenide (모스 이황화 몰리브덴 (MOS 전기 전도도 원자력 현미경 (AFM) 고분해능 투과형 전자 현미경 (HRTEM) 선택 영역 전자 회절 (SAED) 에너지 분산 형 X 선 분광법 (EDX)
오믹 접촉 제조 집중 이온 빔 기술 및 전기 특성 계층 반도체 나노 구조를 위해 사용
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