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 hjelp av en Focused-ion Beam Teknikk 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

Lags halvledere med lett bearbeidet to-dimensjonale (2D) strukturer utviser indirekte til direkte bandgap overganger og overlegen transistor ytelse, noe som tyder på en ny retning for utvikling av neste generasjons ultratynne og fleksible fotoniske og elektroniske enheter. Forbedret luminescens kvantevirkningsgraden har vært mye observert i disse atomically tynne 2D krystaller. Imidlertid er dimensjon effekter utover quantum confinement tykkelser eller på mikrometer skala ikke forventet og har sjelden blitt observert. I denne studien, molybden diselenid (Mose 2) lag krystaller med en tykkelse rekke 6-2,700 nm ble fremstilt som to- eller fire-terminal. Ohmsk kontakt dannelse ble vellykket oppnådd ved fokusert-ion stråle (FIB) deponering metode med platina (Pt) som en kontakt metall. Lags krystaller med ulike tykkelser ble forberedt gjennom enkel mekanisk eksfoliering ved hjelp dicing tape. Nåværende spenning kurve measurements ble utført for å bestemme verdien av konduktiviteten i laget nanokrystaller. I tillegg, med høy oppløsning transmisjonselektronmikroskopi, utvalgt område elektron-diffraktometri, og energi-dispersiv røntgen-spektroskopi ble anvendt for å karakterisere grensesnittet av metall-halvlederkontakt av de FIB-fabrikkert Mose 2 enheter. Etter påføring tilnærminger, ble vesentlig tykkelse avhengig elektrisk ledningsevne i et bredt tykkelse utvalg for mose to lags semiconductor observert. Ledningsevnen øker med mer enn to størrelsesordener fra 4,6 til 1500 Ω - 1 - 1 cm, med en reduksjon i tykkelse fra 2 700 til 6 nm. I tillegg er det temperaturavhengige ledningsevne indikerte at de tynne Mose 2 multilayers oppviste betydelig svak halvledende oppførsel med aktiveringsenergier fra 3,5 til 8,5 MeV, som er betydelig mindre enn de som er (36-38 MeV) av bulk. Probabare overflate dominant transportegenskaper og nærværet av en høy overflateelektronkonsentrasjon i Mose 2 er foreslått. Lignende resultater kan oppnås for andre lag halvledermaterialer som MoS 2 og WS 2.

Introduction

Overgangsmetall dichalcogenides (TMDS), som MoS 2, MOSE 2, WS 2, og WSE 2, har en interessant to-dimensjonale (2D) lagstruktur og halvledende egenskaper 1-3. Forskere har nylig oppdaget at monolaget strukturen av MoS 2 viser et vesentlig øket lysemitterende effektivitet på grunn av kvante begrensningseffekten. Funnet av den nye direkte bandgap halvledermateriale har vakt betydelig oppmerksomhet 4-7. I tillegg er den lett strippet lagstruktur av TMDS en utmerket plattform for å studere de grunnleggende egenskapene til 2D-materiale. I motsetning til metallisk graphene uten båndgap, TMDS har iboende halvledende egenskaper og har et båndgap i området fra 1-2 eV 1,3,8. 2D strukturer av de ternære forbindelser av TMDS 9 og muligheten for integrering av disse forbindelser med graphene tilveiebringe en enestående Overføringortunity å utvikle supertynne og fleksible elektroniske enheter.

I motsetning til graphene, de romtemperatur elektron mobilitet verdier av 2D TMDS er på et moderat nivå (1-200 cm 2 V - 1 sek - 1 for MoS 10 til 17 februar, ca 50 cm 2 V - 1 sek - 1 for Mose to 18 ). De optimale mobilitet verdier av graphene har blitt rapportert å være høyere enn 10 000 cm 2 V - 1 sek -. 19 til 21 januar Likevel halvledende TMD monolagene viser utmerket ytelse enhet. For eksempel, MoS 2 og Mose 2 monolagene eller flerlags felteffekttransistorer utstillings ekstremt høye på / av forholdstall, opptil 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. Derfor er det viktig å forstå de grunnleggende elektriske egenskapene til 2D TMDS ogir bulk materialer.

Men studier av de elektriske egenskapene til de lagsmaterialer har blitt delvis hemmet på grunn av vanskeligheten med å danne god ohmsk kontakt på sjiktet krystaller. Tre tilnærminger, skyggemasken nedfall (SMD) 23, elektronstråle litografi (EBL) 24,25, og fokuserte-ion stråle (FIB) deponering, 26,27 har blitt brukt til å danne elektriske kontaktene på nanomaterialer. Fordi SMD innebærer vanligvis bruk av et kobbergitter som maske, er avstanden mellom to kontaktelektroder for det meste større enn 10 um. I motsetning til EBL og FIB avsetning av metall avsetning av elektrodegrupper på et substrat utføres uten målretting eller velge nanomaterialer av interesse i SMD-metoden. Denne tilnærmingen kan ikke garantere at metall mønstre er riktig avsatt på enkelte nanomaterialer som elektrodene. Resultatet av SMD-metoden har et element av tilfeldighet. EBL og FIB deponering metoder brukes iscanning elektronmikroskop (SEM) system; nanomaterialer kan observeres direkte og valgt for elektrode deponering. I tillegg kan EBL brukes til å enkelt fremstille metallelektroder med en linjebredde og et kontaktelektrodeavstand som er mindre enn 100 nm. Men den resterende motstand på nanomaterial overflaten sluttet i litografi uunngåelig resulterer i dannelse av et isolerende lag mellom metallelektroden og nanomaterial. Således fører EBL til høy kontaktmotstand.

Den største fordelen med elektrodefabrikasjon ved FIB avsetning er at den fører til lav kontaktmotstand. Fordi metallavsetning utføres ved dekomponering av en organometallisk forløper ved hjelp av en ionestråle ved det definerte området, forekommer metallavsetning og ionebombardement samtidig. Dette kan ødelegge den metall-halvleder-grensesnittet, og hindre dannelsen av Schottky-kontakt. Ionebombardering kan også eliminere overflaten forurensninger som HYDROCARbons og innfødte oksider, som minsker kontaktmotstand. Ohmsk kontakt fabrikasjon gjennom FIB deponering er vist for ulike nanomaterialer 27-29. I tillegg er hele fremstillingsprosedyren i FIB tilnærming avsetnings enklere enn i EBL.

Som lags halvledere viser vanligvis sterkt anisotrop elektrisk ledningsevne, ledningsevnen i lag til lag retning er flere størrelsesordener lavere enn det i den retning i planet 30,31. Denne egenskap øker vanskeligheten med å fabrikere ohmske kontakter og bestemmelse av elektrisk ledningsevne. Derfor, i denne studien, ble FIB deponering brukt for å studere de elektriske egenskapene til lag halvleder nanostrukturer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Strukturelle Karakterisering av Mose 2 Layer Crystals (Se trinn 1 i figur 1)

  1. XRD målingsprosedyre
    1. Montere en Mose to lag krystall (med størrelsesområdet på 5 x 5 x 0,1 til 10 x 10 x 0,5 mm 3) eller krystallinsk pulver (som ble blandet med kvartspulver og bindemiddel, og ble smurt på glide glass) på holderen.
    2. Trykk innehaveren av et lysbilde glass for å sikre laget krystall overflaten parallell til innehaveren overflaten.
    3. Laste prøveholderen inn i diffractometer.
    4. Lukke dørene diffractometer.
    5. Kalibrere bjelke linje i henhold til produsentens instruksjoner.
    6. Input måleparametere som to skanneområdet (10-80 °), tilvekst (0,004 °), og holdetiden (0,1 sek).
    7. Start DIFFRAC.Measurement Center-programmet på datamaskinen som er koblet til diffraktometer og deretter lagre data og navn datafil i henhold til produsentens protocol.
    8. Analyser XRD mønster ved å identifisere posisjonene av diffraksjonstoppene ved hjelp av programvaren, og deretter sammenligne med standard data fra JCPDS card database for å bekrefte enkelt out-of-plane orientering og enkelt-krystallinsk kvaliteten av mose 2 lags krystaller 32,33 .
  2. Micro-Raman målingsprosedyre
    1. Utfør Raman utstyret kalibrering ved hjelp av en silisiumskive som standard-prøven. Målingen av silikonplaten er den samme som den fremgangsmåte som er beskrevet nedenfor for den interesserte Mose to lag krystall.
    2. Montere en Mose to lag krystall på lysbildet glass.
    3. Installering av glide glasset på holderen av optisk mikroskop og fokus prøveoverflaten med en hvit lyskilde.
    4. Slå lyskilden fra en hvit lys til en laserstråle (bølgelengde på 514 nm).
    5. Input måleparametere slik som bølgetallskanneområde (150-500 cm-1), den integrasjasjon tid (10 sek), og antallet skanne ganger (10-30 ganger).
    6. Start programmet på datamaskinen som er koblet til Raman spektrometer og deretter lagre data og navn datafil i henhold til produsentens protokoll.
    7. Analyser Raman spekteret ved å identifisere sine topp bredder og posisjoner ved hjelp av programvaren og deretter sammenligne med standard data fra referanser å bekrefte krystallstrukturen type og kvalitet av mose 2 lags krystaller 34,35.

2. Fabrikasjon av Mose 2 Layer nanocrystal Devices

  1. Mekanisk Eksfoliering av Layer Krystaller
    1. Rene pinsett med aceton og alkohol.
    2. Plukk mose 2 lags krystaller (4 til 8 stk) med en skinnende overflate (dvs. speilblanke krystall ansikt) og et område større enn 0,5 x 0,5 mm 2 med pinsett og sette dem på dicing tape med et areal størrelse 20 x 60 mm 2.
    3. Brett båndet i to for å eksfoliere lag krystall og gjenta handlingen omtrent tjue ganger. Vanligvis lags krystaller kan strippes i mange mikrometerstørrelse krystaller i bredde (se trinn 2 på figur 1).
    4. Laste dicing tape med laget nanocrystal pulver inn i SEM kammer å observere størrelser og morfologi av disse strippet Mose to lag mikrokrystall. Hvis bredden fordelinger av laget nanocrystal er på 1-20 mikrometer, kan nanocrystal pulver oppfyller kriteriene for enheten fabrikasjon.
  2. Dispergering av laget nanokrystaller på Device Mal
    1. Plasser dicing tape med laget nanocrystal pulver opp-ned på enheten malen. Malen er SiO2 (300 nm) -belagt silisiumsubstrat med seksten pre-mønstrede Ti (30 nm) / Au (90 nm) elektroder på SiO 2 overflaten (se trinn 4 i figur 1). Området størrelsen på malen er 5 x 5 mm
    2. Trykk på dicing tape lett å gjøre noen nanokrystaller (omtrent 10 til 100 stykker) faller på malen.
    3. Kontroller antall tetthet og dispergering tilstand nanokrystallaget på malen ved hjelp av optisk mikroskop eller noen ganger ved SEM hvis de dispergerte nanokrystaller kan ikke observeres ved hjelp av optisk mikroskop. Vanligvis 2 til 5 deler av nanokrystaller (område størrelse som er større enn 2 x 2 mikrometer 2) spredt på midten firkantet (med areal på 80 x 80 mikrometer 2) av malen uten overlappende til hverandre, er de bedre tilstand for neste FIB behandlingen .
  3. Elektrode Fabrikasjon av FIB
    1. Mount maler på FIB holderen med å gjennomføre kobber folie tape. Typisk ble det område av ledende bånd på 3 x 2,4 cm to nødvendig for montering 6-8 maler.
    2. Laste holderen inn i FIB kammeret.
    3. Evakuer kammeret til vakuum grad ned til 10 -5 mbar ved å klikke på knappen"Pumpe".
    4. Still elektronstrålestrømmen (41 Pa) og akselerasjon spenning (10 kV) på SEM-modus.
    5. Still ion strålestrømmen (0,1 nA) og akselerasjon spenning (30 kV) for FIB-modus.
    6. Varm opp ionestrålen system og gass-injeksjon-system (GIS) ved å klikke på knappen "beam på" og knappen "Cold" i "Gas Injection" block, henholdsvis.
    7. Slå på elektronstråle ved å klikke på knappen "Beam On" og fokusere bildet på et lavt forstørrelse på 100X.
    8. Still z-aksiale arbeidsavstand (WD) ved 10 mm for SEM-modus.
    9. Sett forstørrelse på 5,000X og fokus.
    10. Sett vinkel av holderen til 52 grader ved å klikke på knappen "Navigasjon" og innspill hellingsvinkelen "52".
    11. Velge en Mose to lag nanokrystallaget med en viss tykkelse (som varierer fra 5 til 3000 nm), og et rektangulært og kvadratisk form for elektroden Fabricasjon.
    12. Ta SEM bilder på ulike forstørrelser (fra 1,000X til 10,000X) av målrettet uberørte materialet før elektroden fabrikasjon ved å klikke på knappen "Snapshot".
    13. Bytt til FIB-modus og ta en FIB bilde av snapshot-modus for å redusere eksponeringstiden for den målrettede materiale under ionestrålen bombardement.
    14. Definere elektroden deponeringsområdet, velg "Pt deponering" -modus, og innspill tykkelse (0,2-1,0 mikrometer) verdien av den avsatte Pt elektroden.
    15. Introduser kapillær av GIS i kammeret ved å klikke på boksen "Pt dep" i "Gas Injection" block.
    16. Ta et bilde av fotografimodus igjen, og endre plasseringen av elektrodene hvis opprinnelig definert mønster skifter litt.
    17. Slå på FIB deponering ved å klikke på knappen "Start Mønster".
    18. Etter deponering, tegne kapillær av GIS tilbake ved unclicking boksen "Pt dep "i" Gas Injection "block.
    19. Bytt til SEM-modus og kontrollere resultatet av de avsatte Pt elektrodene på lag nanocrystal.
    20. Ta SEM bilder på ulike forstørrelser av de ferdige enheter med to eller fire elektroder (se trinn 3 i figur 1).
    21. Sett vinkel av holderen tilbake til 0 grader ved å klikke på knappen "Navigasjon" og innspill hellingsvinkelen "0".
    22. Ta topp-sett SEM bilder på ulike forstørrelser for beregningene av materialet bredde og elektrode inter-avstand ved å klikke på knappen "Snapshot".
    23. Slå av elektronstråle og ionestråle systemer og kjøle ned GIS system ved å klikke på knappen "Beam Off" og knappen "Varm" i "Gas Injection" block, henholdsvis.
    24. Vent kammeret ved å innføre nitrogengass ved å klikke på knappene "lufte" og deretter ta holderenut av kammeret. Det tar vanligvis fem til 10 minutter å fullføre lufting prosessen.
    25. Lukk kammeret døren og evakuere kammeret.

3. karakterisering av mose 2 Layer nanocrystal Devices

  1. Tykkelse Måling av laget nanokrystaller ved AFM
    1. Installer AFM cantilever til sonden holderen.
    2. Slå på AFM programmet og velg "ScanAsyst" modus.
    3. Laste probeholder og koble den med laser diode leder av AFM stasjon.
    4. Utfør kalibrering for å justere laserstrålen posisjon og cantilever henhold til produsentens protokoll.
    5. Monter prøven (malen chip med FIB-fabrikkert lag nanocrystal enheter) på prøveholderen ved Cu folie tape.
    6. Laste prøveholderen til AFM stasjonen.
    7. Flytt prøveholderen til posisjonen omtrent under laserstrålen eller AFM cantileveh.
    8. Senk ned AFM cantilever til fokusposisjonen ved å fokusere på den optiske mikroskop bilde av laget nanocrystal.
    9. Input skanneparametre som skanneområdet (6 x 6-30 x 30 mikrometer 2), frekvensen (0,5-1,5 Hz), og oppløsningen (256-512 linjer).
    10. Start programmet og lagre data i henhold til produsentens protokoll.
    11. Hev AFM cantilever og ta prøven holder ut.
    12. Legg den andre prøven og gjenta målingen prosedyren beskrevet ovenfor hvis behov.
    13. Estimere tykkelsen på laget nanokrystaller ved å analysere AFM bilde og høydeprofil ved hjelp av programvaren "NanoScope Analysis". Velg et sidehøydeprofil fra AFM bildet og bestemme den midlere tykkelse verdi med Slå sammen område av profilen. (Se figur 2d og 2e)
  2. Strøm som funksjon av spenning (IV) måling av sjiktet nanokrystaller
    1. Mountprøven (malen chip med FIB-fabrikkert lag nanocrystal enheter) på glimmer underlaget ved Cu folie tape.
    2. Binde emaljert ståltråd eller Cu ledninger på elektrodene på brikken ved Ag lim. (Se trinn 4 i figur 1).
    3. Laste fullført prøven i sonden stasjonen kammeret og fikse det på prøveholderen ved Cu folie tape. Den kryogeniske probe stasjonen lå i mørke omgivelser. (Se trinn 5 i figur 1).
    4. Lodd de elektriske ledninger av prøven og metallelektrodene av sonder én etter én.
    5. Cap kammerets topp og evakuere kammeret ned til 10 -4 mbar. Kjøl ned prøven på 77 K ved innføring av flytende nitrogen inn i sonden stasjonen. Sett temperaturområde (vanligvis 80-320 K), intervall, og dvele tid for temperaturkontroll. (Nødvendig bare for temperaturavhengig måling).
    6. Still spenningen feiende område (typisk -1 til 1 V), spenning interval (0,01 V), og den begrensede maksimale strøm (10 eller 100 uA) i et ultra impedans multifunksjonelle elektrometer for to-terminale IV måling. For fire-terminal måling, sett brukt nåværende feiende område (typisk fra -100 til 100 uA) og nåværende intervall (1 uA).
    7. Start programmet og lagre IV-data ved romtemperatur eller ved forskjellige temperaturer.
    8. Åpne kammeret lokket om nødvendig og ta prøven ut av kammeret.
    9. Legg den andre prøven hvis behovet og gjenta prosedyren beskrevet ovenfor.
    10. Analyser IV kurve ved å plotte målte strømmen versus anvendt spenning data ved hjelp av programvaren. Monter IV kurve ved å velge Linear Fitting funksjonen. Kontroller lineariteten til kurve IV og oppnå skråningen verdi (dvs. konduktans verdi). (Se trinn 6 i figur 1.)
    11. Gjenta trinn 3.2.10 for IV kurver measured ved forskjellige temperaturer hvis behov.
    12. Beregn ledningsevne (σ) verdi i henhold til ligningen σ = G (t / tw) ved å anvende parameterne som oppnås ved IV, SEM, og AFM-målinger, inkludert konduktans (G), tykkelse (t), bredde (w) og lengde ( l) av laget nanokrystallaget.
    13. Plotte kurver av konduktans og konduktivitetsverdier versus tykkelsen av laget nanokrystaller.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

De bestemte verdier av den elektriske ledningsevne (G) og konduktivitet (σ) av lag nanomaterialer med forskjellige tykkelser er svært avhengig av kvaliteten på de elektriske kontaktene. De ohmske kontakter av FIB-avsetnings-fabrikerte to-terminal Mose 2 enheter er karakterisert ved å måle strøm-spenning (I - V) kurve. Romtemperaturen I - V kurvene for de to-terminal Mose 2 nanoflake enheter med ulike tykkelser er vist i figur 2a. De I - V kurvene følger en lineær sammenheng. Dette bekrefter den ohmske kontakt tilstanden mose 2 enheter.

. Delvise enheter med fire elektroder ble fabrikkert for ytterligere å utelukke potensielle effekten av kontakt motstand Figur 2b illustrerer typiske I - V kurver målt ved to-electrode og fire-elektrodemetoder ved romtemperatur for samme nanoflake med en tykkelse på 33 nm. De beregnede cr verdier for to-probe og fire-probe målingene er på 117 og 118 Ω - 1 cm - 1, henholdsvis. Fordi cr verdiene som beregnes ved hjelp av to-probe og fire-sonde-målinger for de samme enhetene var svært likt, påvirkning av kontaktmotstanden på de fastlagte G og a-verdier i denne studien var ubetydelig figurene 2c. Og 2d illustrerer representative felt-utslipp scanning elektronmikroskop (FESEM) bilder av de to-terminal og fire-terminal Mose 2 enheter, henholdsvis. Tykkelsen av mose 2 nanoflakes på enhetene ble estimert ved hjelp av atomic force mikroskopi (AFM) målinger; en prøvemåling, er vist i figurene 2e og 2f.

Metall-halvleder grensesnittet av elektrisk kontakt i Mose 2 enhetene ble videre undersøkt ved hjelp av høy oppløsning transmisjonselektronmikroskopi (HRTEM), valgte-området elektron diffraktometri (SAED), og energi-spredt røntgenspektroskopi (EDX). Figur 3a viser tverrsnittstransmisjonselektronmikroskopi (TEM) bilde av Pt / Mose 2-grensesnitt. Bildet viser at en legering lag (25-30 nm) ble dannet mellom Pt og Mose 2 på grunn av ionestrålen bombardement. HRTEM bilder av legeringen / Mose 2 grensesnitt (stikk 4, figur 3b) og mose 2 region (flekk 3, figur 3c) viser en amorf legering som dannes på overflaten av enkelt-krystaller Mose 2.

Den EDX-spekteret og ringen mønster av SAED i figur 3d viser at Pt er hovedbestanddelen, og at metallelektroden har en polykrystallinsk struktur. Tilsvarende målinger, Vist i figur 3e, indikerte en ione-bombardert legering med en amorf-lignende struktur og inneholdende en blanding av Mo, Se, og Pt i et forhold på 2: 1: 4. Den single-krystall Mose to nanoflake ble ytterligere bekreftet av EDX og Saed målinger, som er vist i figur 3f.

For den ohmske kontakt fabrikkert ved hjelp av FIB deponering metoden, i Mose 2 flerlags nanostrukturer med forskjellig tykkelse, G og a-verdier kan være nøyaktig bestemt. Figur 4a viser statistikk G verdier for mose 2 nanoflakes med forskjellige tykkelser. Det kan observeres at G verdien ikke viser en observerbar forandring eller en endring i tykkelsen over to størrelsesordener. Denne observasjonen er motsatt teoretiske forutsigelser, i henhold til hvilke G er lineært avhengig av tykkelsen (t) for en ensartet strøm og er wrItten som

Ligning 1

Hvor A er området for strømtransporten, og l, m og t er lengden, bredden og tykkelsen av lederen, henholdsvis.

. Den σ verdi kan oppnås ved å bruke ligning (1) Figur 4b viser ledningsevne som en funksjon av tykkelsen (σ - t). Verdien av a-øker med mer enn to størrelsesordener, fra 4,6 til 1500 Ω - 1 cm - 1 når t avtar fra 2700 til 6 nm. En invers makt-loven σ ∞ t - β er oppnådd, der montert β verdien er 0,93. De cr verdier (0,1-1 ohm - 1 cm - 1) 36-38 (t: 10-100 um) er også plassert på den tilpassede linjen.

I prinsippet er σ en iboende egenskap uten noen dimensjons effekter. Den sterke avhengighet av tykkelsen σ innebærer at strømledning hovedsakelig forekommer ved overflaten av mose to lag materiale. Hvis overflaten ledende bane er flere størrelsesordener høyere enn bulk, gjør G verdien ikke øke og blir konstant, selv om tykkelsen øker.

Figur 1
Figur 1:. Prosedyre for enheten fabrikasjon og elektrisk karakterisering av Mose 2 nanoflakes Trinn 1: Morfologiske og strukturelle karakterisering av Mose to bulk lag krystaller ved XRD og Raman-spektroskopi. Trinn 2:Mekanisk peeling av bulk lag krystaller ved dicing tape og observere morfologi strippet flak av FESEM. Trinn 3: elektrode fabrikasjon av nanoflakes av FIB Pt deponering. Trinn 4: Fullfør enheten ved å montere prøven brikke på glimmer underlaget og bonding wire på elektrodene på brikken ved Ag lim. Trinn 5: Legg prøven i kryogeniske probe stasjonen. Trinn 6: Utføre I - V måling og analysere dataene.

Figur 2
Figur 2: I - V kurve, FESEM og AFM målinger for to- og fire terminal Mose to nanoflake enheter (a) I - V kurver målt ved to-probe-metoden ved romtemperatur for mose 2 nanoflakes.med forskjellige tykkelser på 11, 240 og 1300 nm. (B) I - V kurvene målt ved de to-probe og fire-probe metoder ved romtemperatur i en Mose 2 nanoflake med en tykkelse på 33 nm. De representative FESEM bilder av (c) to-terminal og (d) de fire-terminal Mose 2 enheter fabrikkert av FIB tilnærming. (E) En typisk AFM bilde og (f) den tverrsnittshøydeprofil langs den blå linjen (e) for en Mose 2 enhet med tykkelse på ~ 60 nm. (Gjengitt med tillatelse fra Ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

Figur 3
Figur 3: HRTEM, analyserer for Pt / Mose to grensesnitt i enheten SAED, og EDX (. a) Tverrsnitts TEM bilde av Pt metall / Mose to halvleder-grensesnittet i mose 2 nanoflake anordning (t ~ 110 nm) fremstilt ved FIB tilnærming. De numeriske etiketter indikerer de ulike sondering regioner for HRTEM, SAED, og ​​EDX analyser. 1: Pt metall elektrode, 2: ion-bombardert legering region, 3: MOSE to flerlags, og 4: legering / Mose to grensesnitt. Den HRTEM bilde av (b) leger / Mose to grensesnitt (spot 4) og (c) mose 2 regionen (spot 3). Den EDX spektra og de ​​tilsvarende Saed mønstre for (d) Pt elektroden (spot 1), (e) leger region (spot 2) og (f) mose to nanoflake (spot 3), henholdsvis. (Gjengitt med tillatelse fra Ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

jpg "width =" 550 "/>
Fig. 4: Tykkelse avhengig ledningsevne i Mose 2 nanoflakes (a) Den elektriske ledningsevne og (b) en log-log plot av de elektriske konduktivitetsverdier for mose 2 nanoflake med forskjellig tykkelse varierte fra 6 til 2700 nm målt ved hjelp av to- probe (blå solid stjerne) og fire-probe (blå åpen stjerne) metoder. De ledeevne av mose 2 bulk krystaller innhentet av våre målinger (grønn åpen sirkel) og fra referansene er også plottet for sammenligning. Mose to bulks uten tykkelsen opplysningene i Refs. 32, 33, 34 er antatt å være høyere enn 10 um og deres konduktivitetsnivåer representeres av grønne piler. Den røde stiplet linje er den passende linjen for ledningsevne versus tykkelse data av mose 2 nanoflakes. (Gjengitt med tillatelse fra Ref. 28, Copyright @ The IOP Publishing Ltd.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Den nøyaktige bestemmelse av σ verdi og dens dimensjon avhengighet i laget nanokrystaller er svært avhengig av kvaliteten på de elektriske kontaktene. FIB deponering metode som brukes for metall elektrode deponering spilte en avgjørende rolle gjennom hele studien. Ifølge elektriske, strukturelle, og sammensetning analyser, fremstillingen av stabile og meget reproduserbare ohmske kontakter, ved hjelp av FIB avsetningsmetoden, mose 2 eller MoS 2 enhetene ble forenklet ved dannelsen av den amorfe ledende legering mellom Pt-metall og Mose 2 lag halvleder. Den defekte legering struktur på Mose 2 overflate som viser en høy bære tetthet effektivt kunne minimere effekten av Schottky kontakt. De overflateforurensninger fra halvledere, for eksempel naturlige oksyder og hydrokarboner, som er generelt ansett å stamme fra det isolerende lag mellom metallet og halvlederkontakter, Kan elimineres ved ion-bombardement stråle. Eliminering kan forklare den lave kontakt motstand i FIB-deponering-fabrikkert lag krystall enheter.

Selv om den eksperimentelle FIB avsetningsmetode gir pålitelige ohmske kontakter til elektrodefabrikasjon av laget halvledernanostrukturer, den minimale avstanden mellom metallelektrodene var begrenset. Det ble kontrollert til å være over en mikrometer i denne studien. Hovedårsaken til begrensning er at FIB-avsatte metall elektrode ikke har klare kanter og skarpe sidevegger på grunn av den gaussiske fordeling av ionestrålen fluksen i radial retning. Mangelen på klare kanter og skarpe sidevegger kan føre til materialoverflaten forurensning og en elektrisk kortslutning hvis to elektroder er avsatt for nær hverandre (typisk nærmere enn 500 nm).

I tillegg er materialbehandling i ionestrålen miljøet uunngåelig skade materialoverflaten, leading av en endring i de iboende materialegenskaper. For å unngå mulig skade på materialoverflaten ved ionestrålen under FIB avsetning, forsøkte vi å minimalisere ionestrålen eksponeringstiden. Vanligvis har de fleste av trinnene i fremgangsmåten (herunder å velge egnede nanokrystaller, kartlegge stillingen, og opptak av bilder) ble først utført i SEM-modus; Deretter ble modus byttet til FIB-modus. Derfor ble prøvens overflate eksponert for ionestrålen for en betydelig kort tid (i fotografimodus), som tilsvarer den tid det tar for å arbeide ved FIB-modus for å identifisere Pt avsatt områder. Videre kan overflatebeskyttelse tilveiebringes ved å belegge et isolerende organisk materiale (slik som bathocuproine) på sjiktet nanokrystallaget før FIB avsetning (ikke nevnt i protokollen).

EBL, som er den mest brukte metoden, kan gi en meget mindre avstand mellom elektrodene (som er kortere enn 100 nm) sammenlignet med FIBdeponering. Potensiell skade på de undersøkte materialene kan forebygges ved hjelp av EBL. Imidlertid krever EBL bruk av en motstand. På grunn av at fullstendig fjerning av resisten belagt på overflaten av materialet er vanskelig, den gjenværende motstå kan resultere i høy kontaktmotstand mellom kontakt metallet og studerte materiale. Dette problemet reduserer utbyttet av ohmske kontakter betraktelig og vanskeliggjør bruken av EBL som microelectrode fremstillingsmetode. Derfor kan FIB teknikk være et godt valg for microelectrode fabrikasjon med pålitelig og reproduserbar ohmsk kontakt, i tillegg til EBL.

Men i denne studien, den minimale tykkelsen på Mose 2 lags materiale bare når 6 nm (ca. 9-10 mono). Den elektriske kontakten kvalitet for de supertynne lag materialer med tykkelse mindre enn 5 monolag er fortsatt ukjent. Det er forventet at kontaktområdet i supertynne lag materiale kan være fullstendig legert fordi Pt-Mo-Se legeringtykkelse (25-30 nm) indusert ved ionebombardement er høyere enn materialtykkelsen. Videre arbeid er fortsatt nødvendig å utdype leger effekt på ohmsk kontakt eiendommen ved hjelp FIB tilnærming.

I virkeligheten ble FIB deponering metode utviklet hovedsakelig for materiale maling eller etsing på mikrometer og nanometer skala. Metallavsetning er bare en utvidet bruk av fremgangsmåten for belegning eller beskytte materialoverflater. Men i denne rapporten, ble FIB deponering metoden vedtatt for ohmsk kontakt fabrikasjon i lag halvleder nanostrukturer. Observasjonen av tykkelsen effekt på transportegenskapene i disse 2D-nanomaterialer ble forenklet ved bruk av FIB avsetningsmetoden. Elektrode fabrikasjon på mikrometer eller submicrometer skala med pålitelig ohmsk kontakt kvaliteten har vært en utfordring og er avgjørende for en rekke applikasjoner, som for eksempel grunnleggende elektrisk karakterisering av nanomaterialer, eliminering av kontakt resisheten for elektronisk enhet behandling, og lokale metallisering av materialoverflater. Demonstrasjonen av microelectrode fabrikasjon på lag nanomaterialer ved hjelp av FIB deponering metoden kan tjene som en viktig og nyttig referanse for fremtidige forskere og ingeniører i akademia og industri.

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 fokusert-ion stråle (FIB) ohmsk kontakt lag halvleder molybden diselenid (Mose Molybdendisulfid (MoS Elektrisk ledningsevne atomic force mikroskopi (AFM) høyoppløst transmisjonselektronmikroskopi (HRTEM) valgte-området elektron diffraktometri (SAED) energi-spredt røntgenspektroskopi (EDX)
Ohmsk Kontakt Fabrication Ved hjelp av en Focused-ion Beam Teknikk 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