Waiting
Login processing...

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

Engineering

Токопроводящее Изготовление, используя технику сфокусированного ионного пучка и характеристик для Электрические слоя полупроводниковых наноструктур

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

Слоистых полупроводников с легкостью переработки двумерных (2D) структур проявляют косвенные к прямой запрещенной зоны переходов и высокую производительность транзисторов, которые предлагают новое направление для развития следующего поколения сверхтонких и гибких фотонных и электронных устройств. Улучшенная люминесценции квантовая эффективность была широко наблюдается в этих тонких атомно 2D кристаллов. Тем не менее, измерения эффектов за пределами квантовой толщины заключение или даже в масштабе микрометра не ожидается и редко наблюдается. В этом исследовании, молибден Диселенид (MoSe 2) слой кристаллов с толщиной от 6-2,700 нм, изготовленной, как двух- или четырех-терминальных устройств. Формирование Токопроводящее успешно достигается сфокусированного ионного пучка (FIB) методом осаждения с использованием платины (Pt) в качестве контактного металла. Слой кристаллы с различными толщинами были подготовлены с помощью простого механического пилинга с помощью перетасовки ленту. Проводились измерения ВАХTS были выполнены, чтобы определить значение проводимости слоя нанокристаллов. Кроме того, высокое разрешение просвечивающая электронная микроскопия, выбран зоны электронов дифрактометрии и энергии рентгеновский спектроскопии используется для характеристики интерфейс контакте металл-полупроводник из FIB быстровозводимых MoSe 2 устройств. После применения подходов, наблюдалось значительное толщины зависит электропроводность в широком диапазоне толщин для слойной полупроводника MoSe 2. Проводимость увеличился более чем на два порядка от 4,6 до 1500 Ω - 1 см - 1, с уменьшением толщины с 2700 до 6 нм. Кроме того, в зависимости от температуры электропроводности показали, что тонкие многослойные Мёсе 2 выставлены значительно слабый полупроводниковый поведение с энергией активации мэВ 3.5-8.5, которые значительно меньше, чем (36-38 мэВ) основной массы. Пробадаемых поверхностно-доминантные свойства транспорта и наличие концентрации электронов высокой поверхностной в Мёсе 2 предлагается. Аналогичные результаты могут быть получены и для других полупроводниковых слой материалов, таких как MoS 2 и WS 2.

Introduction

Переходных металлов дихалькогениды (TMDS), такие как MoS 2, Мёсе 2, WS 2, и WSe 2, имеют интересную двумерный (2D) структуру слоев и полупроводниковые свойства 1-3. Недавно ученые обнаружили, что структура монослоя MoS 2 показывает в существенном повышении светоизлучающий эффективность из-за квантового эффекта удержани. Открытие нового прямого запрещенной полупроводникового материала привлекла значительное внимание 4-7. Кроме того, легко раздели слоистая структура TMDS является отличной платформой для изучения фундаментальных свойств 2D материалов. В отличие металлической графена без запрещенной зоны, TMDS имеют присущие им характеристики полупроводниковых и имеют ширину запрещенной зоны в диапазоне 1-2 эВ из 1,3,8. 2D-структуры тройных соединений TMDS 9 и возможностью интеграции этих соединений с графена обеспечения беспрецедентной OPPortunity развивать ультратонких и гибких электронных устройств.

В отличие от графена, значения подвижности при комнатной температуре электронов 2D TMDS находятся на умеренном уровне (1-200 см 2 В - 1 сек - 1 для MoS 2 10-17; примерно 50 см 2 В - 1 сек - 1 для Мёсе 2 18 ). Оптимальные значения подвижности графена, как сообщается, будет выше, чем 10000 см 2 В - 1 сек - 1. 19-21 Тем не менее, полупроводниковые монослоев TMD демонстрируют отличную производительность устройства. Например, MoS 2 и MoSe 2 монослоя или многослойной полевых транзисторов экспонат чрезвычайно высокие вкл / выкл соотношениях, до 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. Поэтому, очень важно, чтобы понять фундаментальные электрические свойства 2D TMDS аИК сыпучих материалов.

Тем не менее, исследования электрических свойств слоя материалов были частично затруднено из-за сложности в формировании хорошего омического контакта на слоистых кристаллах. Три подхода, осаждение теневой маской (SMD) 23, электронно-лучевой литографии (EBL) 24,25 и ориентирована-ионный пучок (FIB) осаждение, 26,27, были использованы для формирования электрических контактов на наноматериалов. Из-за поверхностного монтажа, как правило, включает в себя использование медную сетку в качестве маски, расстояние между двумя контактными электродами в основном больше, чем 10 мкм. В отличие EBL и осаждения FIB, осаждение металла из матриц электродов на подложке осуществляется без ориентации или выбрав наноматериалов, представляющих интерес в методе SMD. Этот подход не может гарантировать, что узоры металлические правильно нанесены на отдельных наноматериалов в качестве электродов. Результатом метода SMD имеет элемент случайности. Методы осаждения EBL и FIB используются всканирующего электронного микроскопа система (СЭМ); наноматериалы могут быть непосредственно наблюдается и отобраны для осаждения электродов. Кроме того, ЭПС могут быть использованы для изготовления легко металлические электроды с шириной линии и контактной расстояние между электродами меньше, чем 100 нм. Однако остаточный противостоять на поверхности наноматериала левой во литографии неизбежно приводит к образованию изолирующего слоя между металлическим электродом и наноматериала. Таким образом, EBL приводит к высокой устойчивостью контакта.

Основным преимуществом изготовления электрода через осаждения FIB, что это приводит к низкое контактное сопротивление. Из-за осаждения металлоорганических соединений выполняют при разложении металлоорганического предшественника с помощью ионного пучка в заданной области, осаждение металла и ионной бомбардировки происходят одновременно. Это может разрушить металл-полупроводник, и предотвратить образование контакта Шоттки. Ионная бомбардировка также может устранить поверхностные загрязнители, такие как HYDROCARбоны и родные оксиды, который уменьшает сопротивление контактов. Токопроводящее изготовление через отложения FIB была продемонстрирована для разных наноматериалов 27-29. Кроме того, вся процедура изготовления в подход осаждения FIB проще, чем в EBL.

Как слоистых полупроводников, как правило, показывают очень анизотропную электрическую проводимость, проводимость в направлении слой-на-слой на несколько порядков величины меньше, чем в направлении 30,31 в плоскости. Эта характеристика увеличивает сложность изготовления омических контактов и определения электрической проводимости. Таким образом, в данном исследовании, отложение FIB был использован для изучения электрических свойств слоя полупроводниковых наноструктур.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Структурная характеристика MoSe 2 слой кристаллов (см Шаг 1 на рисунке 1)

  1. Порядок РСА Измерение
    1. Подключению MoSe 2 слой кристалл (с размером от 5 х 5 х 0,1-10 х 10 х 0,5 мм 3) или кристаллический порошок (который смешивали с кварцевого порошка и связующего и высушивали на предметное стекло) на держателе.
    2. Нажмите на держатель по предметное стекло, чтобы обеспечить слой поверхности кристалла параллельно поверхности держателя.
    3. Загрузите держатель образца в дифрактометре.
    4. Закройте двери дифрактометра.
    5. Калибровка линии луча соответственно с инструкциями изготовителя.
    6. Параметры измерения ввода, такие как 2 диапазона сканирования (10-80 °), приращение (0,004 °), и время пребывания (0,1 сек).
    7. Запустите программу DIFFRAC.Measurement центр на компьютере, подключенном к дифрактометре, а затем сохранить данные и имя файл данных в соответствии с прото-изготовителяколонна
    8. Анализ картины дифракции рентгеновских лучей, определяя позиции дифракционных пиков с помощью программного обеспечения, а затем сравнить со стандартным данным из базы данных JCPDS карты для подтверждения одного качества вне плоскости ориентации и монокристаллического из MoSe 2 слоя кристаллов 32,33 ,
  2. Микро-Раман Процедура измерения
    1. Выполните калибровку оборудования комбинационного помощью кремниевой пластины в качестве стандартного образца. Измерение кремниевой пластины так же, как в процедуре, описанной ниже для заинтересованной MoSe 2 слоя кристалла.
    2. Смонтировать MoSe 2 слоя кристалла на предметное стекло.
    3. Загрузка предметное стекло на держателе оптического микроскопа и сосредоточиться поверхности образца с источником белого света.
    4. Переключатель источника света с белым светом, чтобы лазерного луча (длина волны при 514 нм).
    5. Параметры измерения ввода, такие как в диапазоне волновых чисел (сканирования 150-500 см -1), то IntegrВремя ция (10 сек), а количество времени сканирования (в 10-30 раз).
    6. Запустите программу на компьютере, подключенном к спектрометра комбинационного, а затем сохранить данные и имя файла данных в соответствии с протоколом производителя.
    7. Анализ спектра комбинационного рассеяния путем выявления их ширины пиков и позиции, используя программное обеспечение, а затем сравнить со стандартными данными из ссылок, чтобы подтвердить тип кристаллической структуры и качества MoSe 2 слоя кристаллов 34,35.

2. Изготовление MoSe 2 слоя нанокристаллов устройств

  1. Механическая Пилинг слоистых кристаллов
    1. Чистые пинцет с ацетоном и спиртом.
    2. Выберите MoSe 2 слоя кристаллов (от 4 до 8 штук) с блестящей поверхностью (т.е. как зеркало кристалл лицо) и размер области больше, чем 0,5 х 0,5 мм 2 с помощью пинцета и положите их на резки на чипы ленты с размером площадей 20 х 60 мм 2.
    3. Сложите ленту пополам, чтобы отслаивается слой кристалл и повторите действие около двадцати раз. Обычно кристаллы слой может быть лишен в многих микронных размеров кристаллов в ширину (см шаг 2 на рисунке 1).
    4. Загрузите перетасовки ленту со слоем порошка нанокристаллов в камеру SEM соблюдать размеры и морфологию из этих раздели MoSe 2 слоя микрокристаллов. Если ширина распределения слоя нанокристалле находятся в 1-20 мкм, нанокристалл порошок может соответствовать критериям для изготовления устройства.
  2. Дисперсия слой нанокристаллов на основе шаблона устройств
    1. Поместите перетасовки ленту со слоем порошка нанокристаллов в обратном порядке по шаблону устройства. Шаблон SiO 2 (300 нм) -покрытие кремниевая подложка с шестнадцати до рисунком Ti (30 нм) / Au (90 нм) электродов на поверхности SiO 2 (см Шаг 4 на рисунке 1). Размер площадь шаблона 5 х 5 мм
    2. Нажмите для нарезания кубиками ленту слегка, чтобы сделать некоторые нанокристаллы (примерно от 10 до 100 штук) приходится на шаблоне.
    3. Проверьте плотность номер и дисперсии состояние нанокристаллов на шаблоне с помощью оптического микроскопа, а иногда и с помощью СЭМ, если рассеянные нанокристаллы могут быть не наблюдается с помощью оптического микроскопа. Обычно от 2 до 5 частей нанокристаллов (размер области больше, чем 2 х 2 мкм 2), диспергированные в центре площади (с площадью 80 х 80 мкм 2) формы без перекрытий друг к другу, тем лучше условие для дальнейшей обработки FIB ,
  3. Изготовление электродов на FIB
    1. Гора шаблоны на держателе FIB с использованием проводящих медной фольги ленты. Как правило, площадь проведении ленту 3 х 2,4 см 2 требуется для монтажа 6-8 шаблоны.
    2. Загрузите держатель в FIB камеры.
    3. Эвакуировать камеру к вакуумному степени вплоть до 10 -5 мбар, нажав на кнопку"Насос".
    4. Установите ток электронного пучка (41 Па) и ускоряющего напряжения (10 кВ) для режима SEM.
    5. Установите ток ионного пучка (0,1 нА) и ускоряющего напряжения (30 кВ) для режима FIB.
    6. Прогреть систему ионного пучка и газа впрыском-системы (ГИС), нажав на кнопку "луч на" и кнопку "холодной" в "Газ инъекций" блока, соответственно.
    7. Включите электронного пучка, нажав на кнопку "луч на" и сфокусировать изображение на малом увеличении 100Х.
    8. Установите г-осевой рабочее расстояние (WD) в 10 мм для режима SEM.
    9. Установите увеличение в 5,000X и сосредоточиться.
    10. Установите угол наклона держателя до 52 градусов, нажав кнопку "Навигация" и введите угол наклона "52".
    11. Выбор MoSe 2 слой нанокристаллов с определенной толщины (от 5 до 3000 нм) и прямоугольные и квадратную форму для электрода Фабрикания.
    12. Возьмите изображений SEM на разных увеличениях (от 1,000X в 10,000X) целевых нетронутой материала до изготовления электрода, нажав на кнопку "Снимок".
    13. Переключение в режим FIB и принять FIB изображение, режим моментального снимка, чтобы сократить время экспозиции целевой материала при ионной бомбардировке пучком.
    14. Определить площадь электрода осаждения, выберите режим "осаждения Pt", и вход толщину (0,2-1,0 мкм) стоимость нанесенного Pt электрода.
    15. Представьте капилляр ГИС в камеру, нажав на окно "Pt DEP" в "Газ инъекций" блока.
    16. Возьмем изображение путем режиме снимка снова и изменить положение электродов, если первоначально определен шаблон слегка смещается.
    17. Включите осаждения FIB, нажав на кнопку "Пуск паттерна".
    18. После осаждения, рисовать капилляр ГИС назад unclicking окно "Pt гер "в" Газ инъекций "блока.
    19. Переключение в режим SEM и проверить результат осажденных Pt электродов на слой нанокристаллов.
    20. Возьмите изображений SEM на разных увеличениях завершенных устройств с двумя или четырьмя электродами (см Шаг 3 на рисунке 1).
    21. Установите угол наклона держателя возвращения к 0 градусов, нажав на кнопку "Навигация" и наклон угла ввода "0".
    22. Возьмите топ-просматриваемые изображения SEM на разных увеличениях для оценки ширины материала и электрода в том расстояния, нажав на кнопку "Снимок".
    23. Выключите балочные системы электронно-лучевой и ионно и остыть системы ГИС, нажав на кнопку "Луч Off" и кнопку "Теплый" в "Газ инъекций" блока, соответственно.
    24. Удалить воздух из камеры путем введения газа азота, нажав кнопки "Vent", а затем взять держательиз камеры. Это обычно занимает от 5 до 10 минут, чтобы завершить процесс удаления воздуха.
    25. Закройте дверь камеры и эвакуировать камеру.

3. Характеризации MoSe 2 слоя Нанокристаллические Devices

  1. Измерение толщины слоя нанокристаллов по АСМ
    1. Установите АСМ кантилевера к держателю зонда.
    2. Включите программы АСМ и выберите режим "ScanAsyst".
    3. Загрузите держателя зонда и подключить его с головы лазерного диода станции АСМ.
    4. Выполните калибровку, чтобы выровнять положение падающего лазерного пучка и консольные в соответствии с протоколом производителя.
    5. Установите образец (чип шаблон с FIB быстровозводимых слой нанокристаллов устройств) на держателе образца по Cu фольги ленты.
    6. Загрузите держатель образца с АСМ станции.
    7. Перемещение держателя образца в положение примерно под лазерным лучом или АСМ cantilevэ.
    8. Опустите вниз АСМ кантилевера в положение фокуса путем фокусировки оптического микроскопа изображение слоя нанокристалле.
    9. Входные параметры сканирования, такие как области сканирования (6 х 6-30 х 30 мкм 2), частоты (0,5-1,5 Гц), и резолюции (256-512 линий).
    10. Запустите программу и сохранить данные в соответствии с протоколом производителя.
    11. Поднимите консоль AFM и принять держателя образца из.
    12. Загрузите второй образец и повторите процедуру измерения, описанный выше, если потребности.
    13. Оцените толщину слоя нанокристаллов путем анализа изображения и высоты профиля АСМ с помощью программного обеспечения "Наноскоп анализа". Выбор боковой профиль высоты с картинки АСМ и определить среднюю значение толщины в области сплющить профиля. (Смотрите рисунок 2D и 2E)
  2. Тока от напряжения (IV) измерение уровня нанокристаллов
    1. Креплениеобразец (чип шаблон с FIB быстровозводимых слой нанокристаллов устройств) на подложке из слюды по Cu фольги ленты.
    2. Бонду эмалированные провода или провода Cu на электродах чипа по Ag пасты. (См Шаг 4 на рисунке 1).
    3. Загрузите заполненный образец в камере зонда станции и исправить его на держатель образца по Cu фольги ленты. Криогенная зонд станция находится в темноте. (См Шаг 5 на рисунке 1).
    4. Припой электрические провода образца и металлические электроды одного зондов по одному.
    5. Крышка отсека сверху на и эвакуировать камеру до 10 -4 мбар. Охладить образца в 77 K путем введения жидкого азота в зонда станции. Установите диапазон температур (обычно от 80 до 320 К), интервал, и время задержки для контроля температуры. (Необходимо только для измерения температуры зависит).
    6. Установите радикальные диапазон приложенного напряжения (обычно от -1 до 1 В), напряжение интеRVAL (0,01 В), и ограниченный максимальный ток (10 или 100 мкА) в сверхвысоких импеданса многофункционального электрометра для измерения двух-терминала IV. Для измерения четыре терминала, установите применяется текущий радикальные диапазон (обычно от -100 до 100 мкА) и текущий интервал (1 мкА).
    7. Запуск программы и сохранить данные IV при комнатной температуре или при разных температурах.
    8. Открытия камеры крышку, если это необходимо, и взять образец из камеры.
    9. Загрузите второй образец, если нужно, и повторите процедуру, описанную выше.
    10. Анализ кривой IV путем построения измеренный ток от приложенного напряжения данных с помощью программного обеспечения. Установите кривую IV, выбрав Место линейной функции. Проверьте линейность кривой IV и получить значение наклона (т.е. значение проводимости), (См Шаг 6 на рисунке 1).
    11. Повторите шаг 3.2.10 для кривых IV мзамеренный при различных температурах в случае необходимости.
    12. Рассчитайте проводимость (σ) значения в соответствии с уравнением σ = G (т / TW), приняв параметры, полученные IV, SEM, и АСМ в том числе проводимости (G), толщина (т), ширина (W) и длину ( л) в слое нанокристалла.
    13. Изобразите кривые проводимости и проводимости значений по сравнению с толщиной слоя от нанокристаллов.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Определенные значения электрической проводимости (G) и проводимости (о) слоистых наноматериалов с различными толщинами в значительной степени зависит от качества электрических контактов. Омические контакты двухполюсника Мёсе FIB-осаждения быстровозводимых 2 устройства характеризуются измерения ток-напряжение (I - V) кривой. I комнатной температуре - кривые V для двух терминалов MoSe 2 nanoflake устройств с различными толщинами показаны на рисунке 2а. В I - V кривые следовать линейную зависимость. Это подтверждает Токопроводящее состояние MoSe 2 устройств.

. Частичные устройства с четырьмя электродами были изготовлены для дальнейшего исключает потенциальное влияние контактного сопротивления Рисунок 2b иллюстрирует типичный Я - кривые V измеряется двумя-Элеctrode и четыре электродные методы при комнатной температуре же nanoflake с толщиной в 33 нм. Расчетные значения сг для двух зондов и четыре зондов измерения находятся в 117 и 118 Ом - 1 см - 1, соответственно. Поскольку значения сг, рассчитанные с помощью двух датчиков и четыре зонда измерения для одних и тех же устройств были очень похожи, влияние контактного сопротивления на определенных значений G и а в этом исследовании было незначительным. Фигуры 2С и 2D иллюстрируют репрезентативный автоэлектронной эмиссии сканирующий электронный микроскоп (FESEM) образы двух терминалов и четыре-концевых Мёсе 2 устройств, соответственно. Толщины MoSe 2 nanoflakes на устройствах были оценены с использованием атомно-силовой микроскопии (АСМ) измерения; измерение образца показано на фиг 2е и 2f.

Металл-полупроводник электрического контакта в MoSe 2 устройств дополнительно исследовали с помощью высокоразрешающей электронной микроскопии (HRTEM), выбран-зона электронный дифрактометрии (Саид), и энергию-рентгеновской спектроскопии (EDX). Рисунок 3а показывает в поперечном сечении просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) изображение интерфейса с Pt / MoSe 2. Изображение показывает, что слой сплава (25-30 нм) образуется между Pt и Мёсе 2 из ионов облучении. ВПЭМ изображения интерфейса сплав / MoSe 2 (точка 4, 3б) и MoSe 2 область (пятно 3, 3в) показывают аморфного сплава, образованный на поверхности монокристалла Мёсе 2.

Спектр EDX и кольцо модель SAED на рисунке 3d показывают, что Pt является основной составляющей и металлический электрод имеет структуру поликристаллического. Аналогичные измерения, Показано на рисунке 3е, указано ионно-бомбардировке сплав с аморфным-подобной структуры и содержащий смесь Mo, Se, и Pt в соотношении 2: 4: 1. Монокристалличность MoSe 2 nanoflake было дополнительно подтверждено измерениями EDX и Саид, которые показаны на рис 3f.

Для омический контакт изготовлены с использованием метода осаждения FIB, в Мёсе 2 многослойных наноструктур с различной толщины, Г и а значения могут быть точно определены. 4а показаны статистические значения г для MoSe 2 nanoflakes с различными толщинами. Можно заметить, что величина G не показывает наблюдаемому изменению или изменение толщины в течение двух порядков. Это наблюдение напротив теоретическими, в соответствии с которым G линейно зависит от толщины (Т) для равномерного потока текущей и WRИттен, как

Уравнение 1

Где А площадь для переноса тока, и L, W, и Т длина, ширина, и толщина проводника, соответственно.

. Значение σ может быть получена с использованием уравнения (1) 4б показывает проводимость в зависимости от толщины (σ - т). Значение сг увеличивается более двух порядков, от 4,6 до 1500 Ом - 1 см - 1, когда т уменьшается от 2700 до 6 нм. Обратная степенная σ ∞ т - β получается, где оборудованная значение β составляет 0,93. Значения Е (0,1-1 Ом - 1 см - 1) 36-38 области (Т: 10-100 мкм) также расположены на подобранной линии.

В принципе, σ является неотъемлемой собственностью без каких-либо размерных эффектов. Сильный толщина зависимость от а следует, что ток проводимости в основном происходит на поверхности слоя материала MoSe 2. Если путь поверхность проводимости на несколько порядков выше, чем основная, то значение G не возрастает и становится постоянной, даже если толщина увеличивается.

фигура 1
Рисунок 1:. Порядок изготовления устройства и электрических характеристик в MoSe 2 nanoflakes Шаг 1: Морфологические и структурные характеризации Мёсе 2 объемных кристаллов слоя РСА и спектроскопии комбинационного рассеяния света. Шаг 2:Механическая пилинг кристаллов объемный слой по перетасовки ленту и наблюдать морфологию раздели хлопьев с FESEM. Шаг 3: Электрод изготовление nanoflakes осаждением FIB Pt. Шаг 4: Заполнить устройство путем установки чип образца на подложке из слюды и склеивание эмальпроводов на электродах чипа А.Г. пасты. Шаг 5: Образец нагрузки в криогенной зонда станции. Шаг 6: Выполнение I - измерение V и анализировать данные.

фигура 2
Рисунок 2: Я - V кривая, FESEM и АСМ для двух- и четырех- терминала Мёсе 2 nanoflake устройства (а) Я - кривые V, измеренные методом двух зондов при комнатной температуре в течение 2 MoSe nanoflakes.с различной толщины на 11, 240 и 1300 нм. (Б) I - V кривые, измеренные двумя зонда и четыре зонда методов при комнатной температуре в течение 2 MoSe nanoflake с толщиной в 33 нм. Представительные FESEM изображения (с) два-терминал и (г) четыре терминальных устройств Мёсе 2 изготовленных по FIB подхода. (Е) Типичная АСМ изображение и (е) его профиль поперечного сечения по высоте вдоль синей линии в (е) в течение 2 MoSe устройства с толщиной в ~ 60 нм. (Печатается с разрешения из работы. 28, Copyright @ ВГД Publishing Ltd.)

Рисунок 3
Рисунок 3: ВРТЭМ, SAED и EDX анализов на 2 интерфейса Pt / Мёсе в устройстве (. а) в поперечном сечении ПЭМ-изображение Pt металла / Мёсе 2 полупроводник в nanoflake устройства MoSe 2 (т ~ 110 нм), изготовленного FIB подхода. Числовые метки указывают на различные исследования в областях, для HRTEM, SAED и EDX анализов. 1: Pt металлический электрод, 2: ионно-бомбардировке сплав область, 3: 2 MoSe многослойная, и 4: сплав / интерфейс MoSe 2. ВРТЭМ образ (б) интерфейса сплав / MoSe 2 (спот 4) и (С) 2 области MoSe (спот 3). Спектры EDX и соответствующие шаблоны для SAED (D) электрода Pt (спот 1), (е) область сплава (пятно 2), и (е) MoSe 2 nanoflake (точечной 3), соответственно. (Печатается с разрешения из работы. 28, Copyright @ ВГД Publishing Ltd.)

JPG "ширина =" 550 "/>
Рисунок 4:. Толщина зависит от проводимости в Мёсе 2 nanoflakes (а) электрическая проводимость и (б) лог-журнал участок электрических значений проводимости для MoSe 2 nanoflake с различными толщинами колеблется от 6 до 2700 нм, измеренной двух- Зонд (синий твердый звезда) и четыре-зонд (голубой звездные) методы. Значения проводимости MoSe 2 объемных кристаллов, полученных нашими измерениями (зеленый круг) открыт и из ссылок также нанесены для сравнения. MoSe 2 набухает без толщины информации в работах. 32, 33, 34, как предполагается, будет выше, чем 10 мкм, и их уровни проводимости представлены зелеными стрелками. Красная линия тире фитинг линия для проводимости от толщины данным MoSe 2 nanoflakes. (Печатается с разрешения из работы. 28, Copyright @ ВГД Publishing Ltd.)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Точное определение величины а и его размерности зависимости в слое нанокристаллов в значительной степени зависит от качества электрических контактов. Метод осаждения FIB используется для осаждения металла электрода играет решающую роль на протяжении всего исследования. Согласно электрическое, структурные и состав анализа, изготовление стабильных и высокой воспроизводимостью омических контактов, используя метод осаждения FIB, в устройствах MoSe 2 или MoS 2 способствовало образованию аморфной проводящего сплава между металлом Pt и Мёсе 2 слой полупроводника. Дефектной структуры сплава на поверхности MoSe 2, что свидетельствует о высокой плотности носителей может эффективно минимизировать эффект контакта Шоттки. Поверхностные загрязнения полупроводников, таких как родных оксидов и углеводородов, которые, как правило, считаются происходят от изолирующего слоя между металлом и полупроводником контактов, Может быть устранена путем ионного пучка бомбардировки. Ликвидация может объяснить низкое контактное сопротивление в FIB-осаждения быстровозводимых слой кристаллов устройств.

Хотя метод экспериментальной осаждение FIB обеспечивает надежные омические контакты для изготовления электрода слой полупроводниковых наноструктур, минимальное расстояние между металлическими электродами было ограничено. Было контролируется, чтобы быть выше 1 мкм в этом исследовании. Основная причина для ограничения является то, что FIB-хранение металлический электрод не имеет четких краев и острых боковые стенки из-за распределения Гаусса потока ионного пучка в радиальном направлении. Отсутствие четких краев и острых боковых стенок может привести к загрязнению материала поверхности и электрического короткого замыкания, если два электрода осаждают слишком близко друг к другу (ближе, чем обычно 500 нм).

Кроме того, обработка материала в среде ионов пучка неизбежно повреждает поверхность материала, LeaДин с изменением соответствующих свойств материала. Чтобы избежать потенциального повреждения поверхности материала пучком ионов при осаждении FIB, мы попытались свести к минимуму время экспозиции пучок ионов. Как правило, большинство из этапов процедуры (в том числе выбора подходящих нанокристаллы, отображение позиции, и записи изображений) первоначально были выполнены в режиме SEM; Впоследствии, режим переключился в режим FIB. Таким образом, поверхность образца подвергается ионного пучка для значительно короткое время (в режиме снимка), что соответствует времени, необходимого для работы в режиме FIB для идентификации Pt хранение области. Кроме того, защита поверхности может быть обеспечена путем нанесения изоляционного органический материал (например, bathocuproine) на слое нанокристалла до FIB осаждения (не упомянутых в протоколе).

EBL, который является наиболее широко используемым методом, может обеспечить гораздо меньшую промежуток между электродами (меньше, чем 100 нм) по сравнению с FIBосаждения. Потенциальный ущерб для изученных материалов можно предотвратить с помощью ЭВН. Тем не менее, РПЗ требует использования сопротивляться. Поскольку полное удаление резиста наносят на поверхность материала трудно, остаточный противостоять может привести к высокой контактного сопротивления между контактным металла и исследуемого материала. Эта проблема снижает выход омических контактов значительно и затрудняет использование EBL как метод изготовления микроэлектрода. Таким образом, компания FIB метод может быть хорошим выбором для изготовления микроэлектродов с надежным и воспроизводимым омического контакта в дополнение к ЭЛП.

Тем не менее, в этом исследовании, минимальная толщина слоя 2 MoSe материала достигает только 6 нм (примерно 9-10 монослоев). Электрическая качество контакта для ультратонких слоев материалов с толщиной меньше, чем 5 монослоев до сих пор неизвестно. Ожидается, что площадь контакта в ультратонкий слой материалов может быть полностью легированных потому сплава Pt-Mo-SeТолщина (нм 25-30), индуцированный ионной бомбардировки выше толщины материала. Дальнейшая работа по-прежнему требуется разработать эффект сплава на омического контакта имущества с использованием FIB подход.

В действительности, метод осаждения FIB был разработан в основном для измельчения материала или травление на микронных и нанометровых масштабах. Осаждение металла является лишь широкое использование метода покрытия или защиты поверхности материалов. Тем не менее, в этом докладе, способ осаждения FIB была принята омического контакта изготовления в слой полупроводниковых наноструктур. Наблюдение толщины эффекта на транспортные свойства в этих 2D наноматериалов способствовало использованием метода осаждения FIB. Изготовление электродов на микрометра или субмикронного масштаба с надежной омического контакта качества был вызов, и имеет решающее значение для различных приложений, таких как фундаментальной электрических характеристик наноматериалов, устранение контакта Сопротивлениестояние для обработки электронного устройства, и местные металлизации поверхности материалов. Демонстрация микроэлектродов изготовления на слой наноматериалов с использованием метода осаждения FIB может служить в качестве важнейшего и полезной ссылкой для будущих исследователей и инженеров в научных кругах и промышленности.

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

Инженерная выпуск 106 сфокусированного ионного пучка (FIB) омический контакт слой полупроводника молибден Диселенид (MoSe Дисульфид молибдена (MoS Электропроводность атомно-силовая микроскопия (АСМ) с высоким разрешением просвечивающая электронная микроскопия (ВРТЭМ) выбран зоны электронов дифрактометрии (SAED) энергия-дисперсионные рентгеновская спектроскопия (EDX)
Токопроводящее Изготовление, используя технику сфокусированного ионного пучка и характеристик для Электрические слоя полупроводниковых наноструктур
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