Waiting
Login processing...

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

Engineering

Ohmik İletişim Fabrikasyon bir Odaklı iyon Işın Tekniği ve Elektriksel Karakterizasyonu Katmanı Yarıiletken Nanoyapıların için kullanma

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

Kolayca işlenen iki boyutlu (2D) yapılarla Katman yarı iletkenler nesil ince ve fleksibl fotonik ve elektronik cihazların geliştirilmesi için yeni bir yön önermek dolaylı-to-direkt bandaralıklı geçişleri ve üstün transistör performansı sergiler. Geliştirilmiş bir lüminesans kuantum verimi yaygın olarak bu atomik ince 2D kristaller gözlenmiştir. Ancak, kuantum hapsi kalınlıkları ötesinde hatta mikrometre ölçeğinde boyut etkisi beklenmemektedir ve nadiren gözlenmiştir. Bu çalışmada, molibden diselenid (mose 2) iki ya da dört-terminal cihazı olarak imal edilmiştir nm 6-2,700 bir kalınlık aralığında kristaller katman. Ohmik kontak oluşumu başarıyla temas metal olarak platin (Pt) kullanarak odaklanmış iyon demeti (FIB) biriktirme yöntemi ile elde edilmiştir. Çeşitli kalınlıklarda Katman kristalleri dicing bandı kullanarak basit mekanik pul pul dökülme ile hazırlanmıştır. Akım-gerilim eğrisi ÖLÇMEts katman nanokristallerin iletkenlik değerini belirlemek için yapılmıştır. Buna ek olarak, yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu, seçilen alan elektron difraktometrisi ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi FIB-fabrikasyon Mose 2 cihazların metal-yarıiletken temas arayüzü karakterize etmek için kullanılmıştır. Yaklaşımları uygulandıktan sonra, mose 2 -layer yarı iletken için geniş bir kalınlık aralığında temel bir kalınlık bağımlı elektriksel iletkenlik gözlenmiştir. 2,700 6 nm kalınlığında bir azalma ile, 1-1 cm - iletkenlik 1500 Ω kadar 4,6 büyüklüğün iki üzeri siparişlerde artış. Buna ek olarak, sıcaklığa bağlı iletkenlik ince mose 2 çok katmanlı dökme olanlar (36-38 meV) önemli ölçüde daha küçük 3,5-8,5 MeV aktivasyon enerjileri ile oldukça zayıf yarı iletken davranış sergiledi belirtti. Probable yüzey baskın taşıma özellikleri ve Mose 2 yüksek yüzey elektron konsantrasyonunun varlığı önerilmiştir. Benzer sonuçlar, Otoyollarının 2 ve WS 2 gibi diğer katmanlı yarı iletken malzemeler için elde edilebilir.

Introduction

Böyle MoS 2, Mose 2, WS 2 ve WSE 2 olarak geçiş metali dikalkogenidler (TMDS), ilginç bir iki boyutlu (2D) katman yapısını ve yarı iletken özelliklere 1-3 sahiptir. Bilim adamları, son Otoyollarının 2 tek-tabakalı yapısıdır kuantum sınırlandırıcı etkisi büyük ölçüde geliştirilmiş bir ışık yayan etkinliğini göstermektedir keşfettiler. Yeni direkt bandaralıklı yarı iletken materyalin bulgu önemli dikkatini 4-7 çekmiştir. Buna ek olarak, TMDS kolayca sıyrılmış katman yapısı 2B malzemelerin temel özelliklerini incelemek için mükemmel bir platformdur. Bandaralıklı olmayan metal Grafende farklı olarak, TMDS doğasında yan iletken özelliklere sahiptir ve 1-2 eV 1,3,8 aralığında bir bant aralığı vardır. TMDS 9 üçlü bileşikler ve bu bileşiklerin grafin entegrasyonu olasılığı 2D yapıları görülmemiş bir opp sağlarortunity ultra ince ve esnek elektronik cihazlar geliştirmek.

Mose 2 18 1 - yaklaşık 50 cm 2 V - 1 sn; - 1 sn - 1 Otoyollarının 10-17 Şubat için grafen aksine, 2D TMDS oda sıcaklığı elektron hareketlilik değerleri orta seviyede (1-200 cm 2 V altındadır ). 1 sn - -. 19-21 Ocak Bununla birlikte, yarı iletken TMD tek tabakalar mükemmel cihaz performansını sergileyen grafen optimal hareketlilik değerleri daha yüksek 10,000 cm2 V den olduğu bildirilmiştir. Örneğin, 10 6 -10 9 10,12,17,18,22 kadar açma / kapama oranları son derece yüksek MoS 2 ve Mose 2 tek tabakaları veya çok tabakalı alan etkili transistörler sergi. Bu nedenle, 2B TMDS ve temel elektriksel özelliklerini anlamak için önemlidirir dökme malzemeler.

Ancak, katman malzemelerin elektriksel özelliklerinin çalışmalar kısmen çünkü katman kristalleri iyi omik temas kurma güçlüğü engellenmiştir oylandı. Üç yaklaşım, gölge maskesi birikim (SMD) 23, elektron demeti litografi (EBL) 24,25 ve odaklanmış iyon demeti (FIB) birikimi, 26,27 Nanomalzemelerin elektrik temas oluşturmak için kullanılmıştır. SMD tipik maske olarak bakır ızgara kullanımını gerektirir, çünkü iki kontak elektrotlar arasındaki mesafe 10 m'den çoğunlukla büyüktür. EBL ve FIB birikimi, farklı bir alt tabaka üzerinde elektrot dizilerinin metal birikimi hedefleyen veya SMD yönteminde ilgi nanomalzemeleri seçmeden gerçekleştirilir. Bu yaklaşım, metal kalıpları doğru elektrotlar gibi bireysel Nanomalzemelerin üzerinde biriken olduğunu garanti edemez. SMD yönteminin sonucu şans unsuru vardır. EBL ve FIB yerleştirme yöntemleri kullanılmaktadırtaramalı elektron mikroskobu (SEM) sistemi; nanomalzemeler doğrudan gözlemlenen ve elektrot birikimi için seçilebilir. Buna ek olarak, EBL kolayca çizgi genişliği daha küçük 100 nm aralığı bir temas elektrod ile metal elektrotlar imal etmek için de kullanılabilir. Bununla birlikte, kalıntı litografi kaçınılmaz metal elektrot ile nanomaterial arasında bir yalıtım tabakasının oluşumu ile sonuçlanır sol sırasında nano malzeme yüzeyi üzerinde karşı. Böylece, EBL yüksek kontak direnci yol açar.

FIB birikimi yoluyla elektrot imalat ana avantajı düşük temas direnci neden olmasıdır. Metal çökeltme tanımlı bir alan üzerinde bir iyon ışını ile bir organometalik ön-madde ayrışması ile yapıldığından, katalizörün metal çökeltme ve iyon bombardımanı aynı anda gerçekleşir. Bu metal-yarıiletken arayüzü yok ve Schottky temas oluşumunu önleyebilir. İyon bombardımanı ayrıca Hydrocar gibi yüzey kirletici ortadan kaldırabilirtemas direnci azalır bons ve yerli oksitler. FIB birikimi yoluyla Omik kontak fabrikasyon farklı nanomalzemeler 27-29 olduğu ortaya konmuştur. Buna ek olarak, FIB biriktirme yaklaşımda tüm üretim prosedürü EBL bu daha basittir.

Katman yarı iletkenler genellikle yüksek anizotropik elektrik iletimini göstermek üzere, katman-to-katmanda yönünde iletkenlik düzlem yönünde 30,31 olduğundan daha birkaç kat daha düşüktür. Bu özellik omik temas imalatı ve elektrik iletkenliği belirlenmesi zorluğu arttırır. Bu nedenle, bu çalışmada, FIB biriktirme tabakası yarı iletken nano elektriksel özelliklerini inceleyerek için kullanılmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Mose 2 Katman Kristaller (Şekil 1 Adım 1 bakınız) 1. Yapısal Karakterizasyonu

  1. XRD Ölçülmesi Prosedürü
    1. Veya tutucuya (quartz tozu ve bağlayıcı ile karıştırılmış ve slayt camına bulaşmış) kristal bir toz (5 x 5 x 0,1-10 x 10 x 0,5 mm 3 boyutu aralığı ile) mose 2 kat kristal monte edin.
    2. Tutucu yüzeye katman kristal yüzey paralel sağlamak için bir slayt cam tutucu basın.
    3. Difraktometrenin içine numune tutucu yükleyin.
    4. Difraktometrenin kapılarını kapatın.
    5. Üreticinin talimatlarına uygun olarak kiriş çizgisini için kalibre edin.
    6. Giriş ölçümü gibi 2 tarama aralığı (10-80 °) gibi parametreler, artım (0.004 °) ve bekleme süresi (0.1 sn).
    7. Difraktometreye bağlı bilgisayara DIFFRAC.Measurement Center programını başlatın ve sonra da üreticinin proto göre veri ve adı veri dosyasını kaydetmekcol.
    8. Yazılımını kullanarak kırılma tepe noktası pozisyonları belirleyerek XRD analiz ve sonra Mose 2 kat kristallerinin 32,33 tek yönelim düzlem-out ve tek kristal kalitesini onaylamak için JCPDS kart veritabanından standart verilerle karşılaştırmak .
  2. Mikro-Raman Ölçülmesi Prosedürü
    1. Standart numune olarak bir silikon gofret kullanarak Raman ekipman kalibrasyonunu gerçekleştirin. Silikon gofret ölçümü ilgi mose 2 kat kristali için, aşağıda tarif edilen prosedüre aynıdır.
    2. Slayt camına Mose 2 kat kristal monte edin.
    3. Optik mikroskop sahibinin slayt camını yükleyin ve beyaz ışık kaynağı ile numune yüzeyini odaklanır.
    4. Bir lazer ışını (514 nm dalga boyu) beyaz bir ışıktan ışık kaynağı geçin.
    5. Böyle dalgasayısı tarama aralığı olarak girdi ölçüm parametreleri (150-500 cm-1), integrtirme süresi (10 sn) ve tarama sayısı (10-30 kez).
    6. Raman spektrometresi bağlı bilgisayara programı başlatın ve sonra da verileri ve üreticinin protokolüne uygun isim veri dosyasını kaydedin.
    7. Pik genişlikleri ve yazılımı kullanarak pozisyonlarını belirleyerek Raman spektrumunu analiz ve sonra Mose 2 kat kristallerinin 34,35 kristal yapısı türünü ve kalitesini onaylamak için başvurular standart verilerle karşılaştırın.

Mose 2 Katman nanokristal Cihazlarının İmalatı 2.

  1. Katman Kristallerin mekanik Eksfoliasyon
    1. Aseton ve alkol ile temizleyin cımbız.
    2. Parlak bir yüzeye sahip Mose 2 kat kristalleri (4 ila 8 adet) seçin (örneğin ayna gibi kristal yüz) ve cımbız ile bir alan boyutu daha büyük 0.5 x 0.5 mm 2 ve bir alan büyüklüğü ile dicing bant koydu 20 x 60 mm 2.
    3. Yaklaşık yirmi kere katman kristal pul pul ve eylem tekrarlamak yarısında bandı katlayın. Genellikle tabaka kristaller genişliği (Şekil 1, Kademe 2 de bakınız) çok mikrometre büyüklüğünde kristaller halinde soyulduğu edilebilir.
    4. Bu sıyrılmış Mose 2 kat mikro kristal boyutları ve morfolojileri gözlemlemek için SEM odasına katman nanokristal tozu ile dicing bandı yükleyin. Tabaka nanokristal genişliği dağılımları 1-20 mikron iseniz, nanokristal tozu cihaz imalatı için gerekli kriterleri karşılayabilir.
  2. Cihaz şablonu Katman Nanokristallerin Dağılımı
    1. Cihaz şablona katman nanokristal toz baş aşağı ile dicing bandı yerleştirin. Şablon SiO2 on altı önceden desenli Ti (30 nm) / Au (90 mil) SiO 2 yüzeyi üzerinde elektrotlar (300 nm) kaplı silikon alt-tabaka (Şekil 1 'de Adım 4). Şablon alanı boyutu 5 x 5 mm
    2. Bazı nanokristaller (kabaca 10 ile 100 adet) şablonda düşmek yapmak için hafifçe dicing bandı dokunun.
    3. Dağınık nanokristaller optik mikroskop ile görülmedi olabilir eğer optik mikroskop ile ya da bazen SEM ile şablona nanokristal sayısı yoğunluğu ve dağılım durumunu kontrol edin. Genellikle 2 birbirine üst üste gelmeden şablon (80 x 80 mm 2 alana sahip) merkez meydanında dağınık nanokristallerin 5 adet (bölge boyutu daha büyük 2 x 2 mikron 2) sonraki FIB işlenmesi için daha iyi koşulu .
  3. FIB tarafından Elektrot İmalatı
    1. Dağı iletken bakır folyo bant kullanarak FIB tutucuya şablonlar. Tipik olarak, 3 x 2,4 cm 2 bant iletken alanı 6-8 şablonları montajı için gerekli oldu.
    2. FIB odasına tutucu yükleyin.
    3. Butonuna tıklayarak 10 -5 mbar aşağı vakum derecesine odayı tahliye"Pompa".
    4. SEM modu için elektron demeti akımı (41 pA) ve ivme gerilimi (10 kV) ayarlayın.
    5. FIB modu için iyon demeti akımı (0.1 nA) ve ivme gerilimi (30 kV) ayarlayın.
    6. Sırasıyla, "Gaz Enjeksiyon" bloğunda ve düğme "Soğuk" düğmesi "ışın" linkine tıklayarak iyon demeti sistemi ve gaz enjeksiyon sistemi (GIS) Isınma.
    7. Lütfen "Işın On" linkine tıklayarak elektron ışın demeti açın ve 100X düşük büyütmede görüntü odaklanır.
    8. SEM modu için 10 mm z-eksenel çalışma mesafesi (WD) olarak ayarlayın.
    9. 5,000X de büyütme ayarlayın ve odaklanın.
    10. Lütfen "Navigasyon" ve giriş eğim açısı "52" linkine tıklayarak 52 derece sahibinin eğim açısını ayarlayın.
    11. Elektrot Fabrica için (5 ila 3000 nm arasında) belli bir kalınlıkta bir Mose 2 kat nanokristal ve dikdörtgen ve kare şekli seçinyon.
    12. Lütfen "Snapshot" linkine tıklayarak elektrot imalat önce hedeflenen bozulmamış malzemenin (1,000X itibaren 10,000X kadar) farklı büyütme SEM görüntüleri çekin.
    13. Modunu FIB ve iyon ışını bombardımanı altında hedeflenen malzemenin pozlama süresini azaltmak için anlık modunda tarafından FIB görüntü almak geçin.
    14. Yatırılır Pt elektrot (0,2-1,0 mikron) değer kalınlığı, elektrot biriktirme alanı tanımlamak "Pt biriktirme" modunu seçin ve giriş.
    15. "Gaz Enjeksiyon" bloğunda kutusu "Pt dep" linkine tıklayarak odasına CBS'nin kılcal tanıtın.
    16. Yine anlık modunda bir görüntü alın ve tanımlanmış desen hafifçe kaydırır, eğer elektrot konumunu değiştirin.
    17. Lütfen "Başlat Desenlendirme" linkine tıklayarak FIB birikimi açın.
    18. Birikimi sonra, geri "Pt d kutusunu unclicking ile CBS kılcal çizmekGaz Enjeksiyon "blok" olarak "ep.
    19. SEM moduna geçin ve katman nanokristal biriken Pt elektrot sonucunu kontrol ediniz.
    20. İki ya da dört elektrot (Şekil 1 'de Adım 3) ile tamamlanmıştır aygıtları farklı büyütmelerde SEM görüntülerini al.
    21. Lütfen "Navigasyon" ve giriş eğim açısını "0" linkine tıklayarak 0 derece tutucu dönüş eğim açısını ayarlayın.
    22. Lütfen "Snapshot" linkine tıklayarak maddi genişliği ve elektrot arası mesafe tahmini için farklı büyütme üst-inceledi SEM görüntüleri çekin.
    23. Sırasıyla, elektron ışın ve iyon demeti sistemlerini kapatın ve "Gaz Enjeksiyon" bloğunda renkli "Işın Kapalı" düğmesini "Sıcak" linkine tıklayarak CBS sistemi soğumasını.
    24. Düğmeleri tutucu almak ve ardından "Vent" ve tıklayarak tanıtarak nitrojen gazı ile odasını havalandırınodasından dışarı. Genellikle havalandırma işlemini bitirmek için 5 ila 10 dakika sürer.
    25. Kamara kapağını kapatın ve odasına tahliye.

Mose 2 Katman nanokristal Cihazlar 3. Karakterizasyonu

  1. AFM tarafından Katman Nanokristallerin Kalınlığı Ölçümü
    1. Prob tutucu için AFM konsol takın.
    2. AFM programı açın ve "ScanAsyst" modunu seçin.
    3. Prob tutucu yükleyin ve AFM istasyonunun lazer diyot kafa ile bağlayın.
    4. Olay lazer ışını konumunu ve üreticinin protokolüne göre konsol hizalamak için kalibrasyon yapın.
    5. Cu folyo bant numune tutucuya örneği (FİB fabrikasyon katman nanokristal cihazlarla şablon çip) monte edin.
    6. AFM istasyonuna örnek tutucu yükleyin.
    7. Lazer ışını veya AFM cantilev altına yaklaşık pozisyonuna örnek tutucu taşıer.
    8. Tabaka nanokristal optik mikroskop görüntüsünü odaklanarak odak konumuna AFM konsol aşağı indirin.
    9. Böyle bir tarama alanına (6 x 30/06 x 30 mikron 2), frekans (0.5-1.5 Hz) ve çözünürlükte (256-512 satır) gibi giriş tarama parametreleri.
    10. Programı başlatın ve üreticinin protokolüne göre verileri kaydetmek.
    11. AFM konsol kaldırın ve örnek tutucu çıkar.
    12. Eğer ihtiyaç yukarıda açıklanan ölçüm prosedürü ikinci örneği yükleyin ve tekrarlayın.
    13. Yazılımı "NanoScope Analizi" seçeneğini kullanarak AFM görüntü ve yükseklik profili analiz ederek katman nanokristallerin kalınlığını tahmin edin. AFM görüntü yanal yükseklik profili seçin ve profilin düzleştirmek alanına göre ortalama kalınlığı değerini belirlemek. (Şekil 2d ve 2e bakınız)
  2. Tabaka nanokristallerin Güncel gerilime karşı (IV) ölçümü
    1. DağCu folyo bant mika substrat örnek (FİB fabrikasyon katman nanokristal cihazlarla şablon chip).
    2. Ag macunu ile çip elektrotlar üzerinde emaye teller veya Cu telleri Bond. (Şekil 1 'de Adım 4'e bakınız.)
    3. Sonda istasyonu odasında tamamlanan örnek yükleyin ve Cu folyo bant numune tutucuya sabitleyin. Kriyojenik prob istasyonu karanlık ortamda bulunan oldu. (Şekil 1 Adım 5'e bakınız.)
    4. Numunenin elektrik telleri ve tek sondalar birinin metal elektrotlar lehimleyin.
    5. Kamara üst Cap ve aşağı 10 -4 mbar odasına tahliye. Sonda istasyonu içine sıvı azot getirerek 77 K numune soğutun. Sıcaklık aralığı (genellikle 80 K 320 ila), aralık ayarlayın ve sıcaklık kontrolü için bekleme süresi. (Sadece sıcaklığa bağlı ölçümü için gerekli).
    6. , Gerilim entegrasyon (-1 1 V tipik) uygulanan gerilim süpürme aralığı ayarlayınRVal (0.01 V), ve iki ucu IV ölçümü için bir ultra-empedansı fonksiyonlu elektrometrenin sınırlı azami akımın (10 veya 100 uA). Dört-terminal ölçümü için, (genellikle -100 ila 100 uA itibaren) uygulanan akım süpürme aralığını ve şu anki aralığını (1 uA) ayarlayın.
    7. Programı başlatın ve oda sıcaklığında veya farklı sıcaklıklarda IV verileri kaydetmek.
    8. Gerekirse odası kapağını açın ve odanın dışına numune almak.
    9. İkinci bir örnek ise ihtiyaç yükleyin ve yukarıda açıklanan işlemi tekrarlayın.
    10. Yazılımı kullanılarak uygulanan gerilim verilerine karşı ölçülen akım çizilerek IV eğrisini analiz edin. Doğrusal Montaj işlevini seçerek IV eğrisini takın. IV eğrisinin doğrusallığını kontrol ve eğim değeri (yani iletkenlik değeri) edinin. (Şekil 1 'de Adım 6.)
    11. IV eğrileri m Adım 3.2.10 tekrarlayınihtiyaç halinde farklı sıcaklıklarda easured.
    12. IV, SEM ile elde edilen parametrelerin benimseyerek denklemin σ = G (t / tw) göre iletkenlik (σ) değerini hesaplayın ve iletkenlik (G), kalınlık (t), (w) genişlik ve uzunluk (dahil AFM ölçümleri tabaka nanokristal l).
    13. Tabaka nanokristallerin kalınlığı karşı iletkenlik ve iletkenlik değerleri eğrileri çizilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Farklı kalınlıklarda katman Nanomalzemelerin elektrik iletkenliği (G) ve iletkenlik (σ) belirlenen değerler elektrik kontağı kalitesine son derece bağımlıdırlar. FIB-biriktirme-fabrikasyon iki terminal Mose omik kontaklar 2 cihazlar akım-gerilim (I - V) ölçülerek karakterize eğri. Oda sıcaklığında I - farklı kalınlıklarda iki ucu mose 2 nanoflake cihazlar için V eğrileri, Şekil 2a'da gösterilmiştir. I - V eğrileri doğrusal bir ilişki izleyin. Bu Mose 2 cihazların ohmik kontak durumunu onaylar.

. V eğrileri, iki ele ölçülen - dört elektrot ile Kısmi cihazlar ayrıca kontak direnci potansiyel etkisini ekarte etmek için imal edilmiş 2b Şekil Ben tipik göstermektedir33 nm bir kalınlığa sahip, aynı nanoflake oda sıcaklığında ctrode ve dört elektrot yöntemleri. İki prob ve dört prob ölçümleri için hesaplanan σ değerleri 117 ve 118 Ω altındadır - 1 cm - 1, sırasıyla. Aynı cihazlar için iki prob ve dört prob ölçümleri kullanılarak hesaplanan σ değerleri oldukça benzer olduğu için, bu çalışmada belirlenen G ve σ değerleri temas direnci etkisi yok denecek kadar azdı. Şekil 2c ve 2d temsili alan emisyon göstermektedir İki ucu ve dört-terminal mose 2 cihazların taramalı elektron mikroskobu (Fesem) görüntüleri, sırasıyla. Cihazlarda Mose 2 nanoflakes kalınlıkları atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) ölçümleri kullanılarak tahmin edilmiştir; Bir numune ölçüm Şekil 2e ve 2f 'de gösterilmiştir.

Mose 2 cihazlarda elektriksel temas metal-yarıiletken arayüzü daha yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM), seçilen alan elektron diffraktometrisi (SAED), ve enerji-dağıtıcı X-ışını spektroskopisi (EDX) kullanılarak incelenir edildi. Şekil 3a Pt / mose 2 arayüzünün kesit transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntüsü gösterilmektedir. Görüntü bir alaşım tabakası (25-30 nm) nedeniyle iyon ışını bombardımanı Pt ve Mose 2 arasında oluştuğunu göstermektedir. Alaşım / Moşe 2 arayüzünün HRTEM görüntüleri (nokta 4, Şekil 3b) ve Mose 2 bölgesi (nokta 3, Şekil 3c) tek kristal yüzeyinde Mose 2 oluşturulan amorf bir alaşım göstermektedir.

EDX spektrumu ve Şekil saed halka modeli Pt temel bileşen olduğunu göstermektedir 3d ve metal elektrot kristalli yapıya sahip olduğu. Benzer ölçümlerŞekil 3e'de gösterildiği gibi, amorf-benzeri yapısı ile bir iyon bombardıman alaşım belirtilen ve 2 oranında Mo, Se ve Pt bir karışımını ihtiva eden 4: 1 arasındadır. Tek kristal mose 2 nanoflake daha Şekil 3f gösterilmiştir EDX ve SAED ölçümleri ile teyit edilmiştir.

Ohmik kontak FIB biriktirme yöntemi kullanılarak imal için mose farklı kalınlıklarda 2 katmanlı nano, G ve σ değerleri kesin olarak belirlenebilmektedir. Şekil 4a, farklı kalınlıklarda mose 2 nanoflakes istatisti¤i G değerleri gösterir. Bu G değeri gözlemlenebilir bir değişiklik ya da büyüklük iki siparişler üzerinde kalınlığında bir değişiklik göstermiyor olduğu görülmektedir. Bu gözlem, teorik elde etmek için karşısında G düzgün bir akım akışı için kalınlığı (t) doğrusal olarak bağımlı ve wr olan uygunItten olarak

Denklem 1

Nerede bir akım taşıma alanı ve l, w, ve t, iletkenin uzunluğu, genişliği ve kalınlığı bulunmaktadır.

. Σ değeri, aşağıdaki denklem kullanılarak elde edilebilir (1) Şekil 4b kalınlığının bir fonksiyonu olarak iletkenlik gösterir (σ - t). 1 cm - 1 - t azaldığında 2,700 den nm 6 4,6 1500 Ê kadar büyüklükte iki üzeri siparişlerde tarafından σ değeri artar. Bir ters güç hukuk σ ∞ t - monte β değeri 0.93 olduğu β elde edilir. Σ değerleri (0,1-1 Ω - 1 cm - 1) 36-38 (t: 10-100 um), aynı zamanda, uydurulmuş çizginin üzerinde yer almaktadır.

Prensip olarak, herhangi bir boyuta σ etkiler olmaksızın özünde bulunan bir özelliktir. Σ güçlü kalınlığı bağımlılığı akımı iletim esas mose 2 tabaka malzemesinin yüzeyinde ortaya çıktığını göstermektedir. Yüzey iletim yolu, G değeri artmaz dökme daha yüksek büyüklükte birkaç emir ve hatta kalınlık artarsa, sabit kalırsa.

figür 1
Şekil 1:. XRD ve Raman spektroskopisi ile Mose 2 toplu tabakası kristallerinin morfolojik ve yapısal karakterizasyonu: Cihaz imalat ve Mose 2 nanoflakes elektrik karakterizasyonu için Prosedür 1 adım. 2. Adım:Bandı dicing ve Fesem tarafından soyuldu gevreği morfolojisi gözlemlemek tarafından toplu tabakası kristallerinin mekanik pul pul dökülme. Adım 3: FIB Pt birikimi ile nanoflakes elektrot imalatı. Adım 4: Ag macunu ile çip elektrotlar üzerinde mika substrat ve yapıştırma emaye tel üzerinde örnek çip monte ederek cihazı tamamlayın. Adım 5: kriyojenik prob istasyonunda yük örneği. Adım 6: I gerçekleştirin - V ölçümü ve verileri analiz.

Şekil 2,
Şekil 2: I - V eğrisi, iki ve dört terminal Fesem ve AFM ölçümleri mose 2 nanoflake cihazları (a) - mose 2 nanoflakes boyunca oda sıcaklığında, iki prob metodu ile ölçülür V eğrileri.11, 240 ve 1300 nm'de farklı kalınlıklarda. (B) I - 33 nm kalınlığında bir mose 2 nanoflake boyunca oda sıcaklığında, iki prob ve dört prob yöntemleri ile ölçülmüştür V eğrileri. (C) iki ucu ve (d) FIB yaklaşımla imal dört ucu mose 2 cihazlar için temsili Fesem ve görüntüler. 60 ° 'de nm kalınlığa sahip olan bir cihaz için mose 2 (e) tipik bir AFM görüntüsü ve (f) (e)' de, mavi hattı boyunca enine kesitsel bir yükseklik profili. (Ref izni ile yayımlanmaktadır. 28 Telif GİB Yayıncılık Ltd. @)

Şekil 3,
Şekil 3: HRTEM, SAED ve EDX cihazda Pt / Mose 2 arabirimi için analizler (. a) FIB yaklaşımla imal mose 2 nanoflake cihazı (t ~ 110 nm) Pt metal / mose 2 yarı iletken arayüzünün kesit TEM görüntüsü. Sayısal etiketler HRTEM, Saed farklı sondalama bölgeleri gösterir ve EDX analizleri. 1: Pt metal elektrot, 2: iyon bombardıman alaşım bölgesi, 3: Mose 2 katmanlı ve 4: alaşım / Mose 2 arayüzü. (B) alaşımı / Mose 2 arabirimi (nokta 4) ve (c) Mose 2 bölge (nokta 3) ve HRTEM görüntüsü. EDX spektrumları sırasıyla (d) Pt elektrot (nokta 1), (e) alaşım bölgesi (nokta 2), ve (f) Mose 2 nanoflake (nokta 3), karşılık gelen SAED desenleri. (Ref izni ile yayımlanmaktadır. 28 Telif GİB Yayıncılık Ltd. @)

jpg "width =" 550 "/>
Şekil 4:. Mose 2 nanoflakes Kalınlık bağımlı iletkenliği (a) elektrik iletkenliğinin, ve (b) farklı kalınlıklarda mose 2 nanoflake elektrik iletkenlik değerlerinin log-log grafiği 6'dan iki- ile ölçülen 2700 nm arasında değişen prob (mavi katı yıldız) ve dört prob (mavi açık yıldız) yöntemleri. Bizim ölçümlerde (açık yeşil daire) tarafından ve referanslar elde Mose 2 dökme kristallerinin iletkenlik değerleri de karşılaştırma için çizilmiştir. Mose 2 ref kalınlık bilgi olmadan bulks. 32, 33, 34 daha yüksek 10 um ve iletkenlik düzeyleri, yeşil oklarla temsil edilir olduğu varsayılır. Kırmızı çizgi çizgi Mose 2 nanoflakes kalınlığı verileri karşı iletkenlik için uydurma bir çizgidir. (Ref izni ile yayımlanmaktadır. 28 Telif GİB Yayıncılık Ltd. @)

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Σ değeri ve katman nanokristaller kendi boyutu bağımlılığı doğru belirlenmesi elektrik kontağı kalitesi son derece bağlıdır. Metal elektrot birikimi için kullanılan FIB biriktirme yöntemi çalışma boyunca önemli bir rol oynadı. Göre elektrik, yapısal ve kompozisyon Pt metal ve Mose 2 arasında amorf iletken alaşım oluşumu ile kolaylaştırıldı Mose 2 veya MoS 2 cihazlarda, FIB biriktirme yöntemi kullanılarak, istikrarlı ve yüksek tekrarlanabilir ohmik kontak yapımını analizleri tabaka yarıiletken. Bir yüksek taşıyıcı yoğunluğu gösteren Mose 2 yüzeyde kusurlu alaşım yapısı etkili Schottky temas etkisini en aza indirmek olabilir. Böyle genellikle metal ve yarı iletken kontaklar arasındaki yalıtım tabakasından köken kabul edilir yerli oksitler ve hidrokarbonlar gibi yarı iletkenler yüzey kirleticiler,, Iyon huzmesi bombardımanı ile elimine edilebilir. Eliminasyon FIB-biriktirme-fabrikasyon katman kristal cihazlarda düşük temas direnci açıklayabilir.

Deneysel FIB biriktirme yöntemi tabakası yarı iletken nano elektrot imalatı için güvenilir omik temas sağlamasına karşın, metal elektrotlar arasındaki minimum aralık sınırlı oldu. Bu çalışmada 1 um üzerinde olduğu kontrol edilmiştir. Sınırlama başlıca nedeni FIB-kaplanmış metal elektrot nedeniyle radyal yönde iyon ışını akı Gauss dağılımı net kenarları ve keskin yan duvarlara sahip olmamasıdır. Iki elektrot (genellikle daha yakın 500 nm) birbirine çok yakın yatırılır ise net kenarları ve keskin yan duvarların olmaması malzeme yüzey kirlenme ve bir elektrik kısa devre neden olabilir.

Buna ek olarak, iyon huzmesi ortamında materyal işleme kaçınılmaz bir şekilde zarar malzeme yüzey, leadoğal malzeme özelliklerindeki bir değişiklik artırılabilir. FIB birikimi sırasında iyon ışını ile malzeme yüzeyine olası hasarları önlemek için, iyon ışını pozlama süresini en aza indirmek için çalıştı. Tipik olarak, başlangıçta SEM modunda yapıldı (uygun nanokristaller seçerek pozisyonunu haritalama ve görüntü kaydetme dahil) prosedürün adımların çoğu; daha sonra mod FIB moduna geçildi. Bu nedenle, örnek yüzeyi Pt tanımlamak için FIB modunda çalıştırılması için gereken zaman geldi, (enstantane modunda) oldukça kısa bir süre için iyon ışınına alanları yatırılan maruz kalmıştır. Bundan başka, yüzey koruma çökelmesini FIB önce tabaka nanokristal (değil protokolde belirtilen) bir yalıtkan organik madde (örneğin, bathocuproine gibi) kaplama ile sağlanabilir.

En yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir EBL, FIB ile karşılaştırıldığında elektrotlar arasında çok daha küçük bir aralık (kısa 100'den nm) sağlayabilirbiriktirme. Çalışılan malzeme hasar potansiyeli EBL kullanılarak önlenebilir. Bununla birlikte, EBL karşı bir kullanımını gerektirir. Malzeme yüzeyinde kaplı dirençli tamamen çıkarılması zor olduğundan, artık iletişim metal ve çalışılan malzeme arasındaki yüksek temas direnci neden olabilir karşı. Bu sorun büyük ölçüde ohmik kontak verimini azaltır ve mikroelektrot fabrikasyon yöntemi olarak EBL'nin kullanılmasını engellemektedir. Bu nedenle, FIB tekniği EBL yanı sıra güvenilir ve tekrarlanabilir omik temas mikroelektrot imalat için iyi bir seçim olabilir.

Bununla birlikte, bu çalışmada, mose 2 kaplama malzemesinin en az kalınlığı sadece 6 nm (yaklaşık 9-10 mono tabakalar) ulaşır. Kalınlığı daha düşük 5 mono tabakaları ile ultra ince tabaka malzemeler için elektrik kontağı kalitesi hala bilinmemektedir. Bu ultra ince tabaka malzemelerinde temas alanı tamamen alaşımlı olabilir bekleniyor Pt-Mo-Se alaşım çünküiyon bombardımanının yol açtığı kalınlığı (25-30 nm) malzeme kalınlığına göre daha yüksektir. Daha fazla çalışmaları hala FIB yaklaşım kullanarak ohmik kontak özelliği alaşım etkisi ayrıntılı için gereklidir.

Gerçekte, FIB biriktirme yöntemi mikrometre ve nanometre ölçeklerinde maddi öğütme veya gravür ağırlıklı geliştirilmiştir. Metal çökeltme kaplama veya malzeme yüzeylerin korunması için bir yöntem, sadece uzatılmış bir kullanımıdır. Ancak, bu raporda, FIB biriktirme yöntemi katman yarı iletken nanoyapılardaki ohmik kontak imalatı için kabul edilmiştir. Bu 2B nanomalzemeler taşıma özelliklerine kalınlığı etkisi gözlem FIB biriktirme yöntemi kullanılarak kolaylaştırıldı. Güvenilir ohmik kontak kalitesi ile mikrometre veya submicrometer ölçeğinde Elektrot imalat bir meydan okuma olmuştur ve bu tür nanomateryallerin temel elektriksel karakterizasyon, iletişim re ortadan kaldırılması gibi uygulamalar, çeşitli için çok önemlidir ettielektronik cihaz işleme mesafe, ve maddi yüzeylerin yerel metalizasyon. FIB biriktirme yöntemi kullanılarak katman nanomateryallerin üzerinde mikroelektrot imalat gösteri akademi ve sanayi gelecekteki araştırmacılar ve mühendisler için önemli ve yararlı bir referans olarak hizmet verebilir.

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

Mühendislik Sayı 106 odaklanmış iyon demeti (FIB) ohmik kontak katman yarı iletken molibden diselenide (Mose Molibden disülfit (MoS Elektriksel iletkenlik atomik kuvvet mikroskobu (AFM) yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskobu (HRTEM) seçilen alan elektron kırınım (SAED) enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX)
Ohmik İletişim Fabrikasyon bir Odaklı iyon Işın Tekniği ve Elektriksel Karakterizasyonu Katmanı Yarıiletken Nanoyapıların için kullanma
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