ייצור לתקשר ohmic בטכניקה ממוקד-אלומת יונים וחשמל אפיון לשכבת מבני ננו מוליך למחצה
Summary
We describe the approaches for the device fabrication and electrical characterization of molybdenum diselenide (MoSe2) layer semiconductor nanostructures with different thicknesses. In addition, the fabrication of ohmic contacts for MoSe2-layer nanocrystals by the focused-ion beam deposition method using platinum (Pt) as a contact metal is described.
Abstract
מוליכים למחצה שכבה עם מבני מעובד בקלות דו ממדיים (2D) תערוכה מעברים עקיפים לישיר bandgap וביצועי הטרנזיסטור מעולים, שמציעים כיוון חדש לפיתוח Ultrathin הדור הבא והתקנים פוטוניים ואלקטרוניקה גמישים. יעילות קוונטית הארה משופרת נצפתה באופן נרחב בגבישים 2D אטומי הדקים אלה. עם זאת, השפעות ממד מעבר עוביי כליאת קוונטים או אפילו בקנה מידת מיקרומטר לא צפויות ולא רק לעתים נדירות נצפו. במחקר זה, diselenide מוליבדן (Mose 2) שכבת גבישים עם מגוון עובי של 6-2,700 ננומטר היו מפוברק כשניים או ארבעת מכשירי מסוף. היווצרות קשר ohmic הושגה בהצלחה בשיטה בתצהיר אלומה הממוקד-יון (FIB) באמצעות פלטינה (Pt) כמתכת ליצירת קשר. גבישי שכבה עם עוביים שונים הוכנו באמצעות קילוף מכאני פשוט באמצעות קלטת חיתוך. measuremen העקומה נוכחי מתחTS בוצע כדי לקבוע את ערך המוליכות של nanocrystals השכבה. בנוסף, במיקרוסקופ אלקטרונים שידור ברזולוציה גבוהה, diffractometry נבחר-אזור האלקטרון, וספקטרוסקופיה רנטגן אנרגיה נפיצה שמשו לאפיין את הממשק של מגע מתכת-המוליכים למחצה של Mose 2 מכשירים-מפוברק FIB. לאחר החלת הגישות, מוליכות החשמלית המשמעותית עובי תלוי במגוון רחב עובי עבור המוליכים למחצה -layer Mose 2 נצפו. המוליכות עלו ב מעל שני סדרי הגודל מ -4.6 ל -1,500 Ω – 1 סנטימטר – 1, עם ירידה בעובי מ2,700 עד 6 ננומטר. בנוסף, המוליכות בטמפרטורה תלויה עולות כי 2 רבים-שכבתי Mose הדק הציג התנהגות מוליכים למחצה חלשה במידה ניכרת עם אנרגיות הפעלה של 3.5-8.5 מופתעות נוכח, שהם קטנים במידה ניכרת מאלה (36-38 מופתע נוכח) של כמויות גדולות. Probaמאפייני ble משטח דומיננטי תחבורה ואת הנוכחות של ריכוז אלקטרונים משטח גבוה בMose 2 מוצעים. ניתן להשיג תוצאות דומות לחומרים מוליכים למחצה שכבה אחרים כגון MOS 2 וWS 2.
Introduction
dichalcogenides מעבר המתכת (TMDS), כגון MOS 2, Mose 2, WS 2, וWSE 2, יש לי מבנה מעניין דו-ממדי (2D) שכבה ותכונות מוליכים למחצה 1-3. המדענים גילו לאחרונה כי מבנה monolayer של MOS 2 מראה את יעילות פולטות אור משופר באופן משמעותי בגלל השפעת כליאת הקוונטים. הממצא של החומר מוליך למחצה הישיר bandgap החדש משך תשומת לב משמעותית 4-7. בנוסף, מבנה השכבה הפשיט בקלות של TMDS הוא פלטפורמה מצוינת ללימוד התכונות הבסיסיות של חומרי 2D. שלא כמו גרפן המתכתי ללא bandgap, יש לי TMDS מאפיינים מוליכים למחצה טבועים ויש לי bandgap בטווח של 1-2 eV 1,3,8. מבני 2D של התרכובות משולשת של 9 TMDS ואת האפשרות של שילוב של תרכובות אלה עם גרפן לספק מול חסר תקדיםortunity לפתח מכשירים אלקטרוניים Ultrathin וגמישים.
שלא כמו גרפן, ערכי ניידות אלקטרונים בטמפרטורת חדר של 2D TMDS הם בעצמה בינונית (1-200 סנטימטר 2 V – 1 שניות – 1 לMOS 10-17 פבואר; כ -50 סנטימטרים 2 V – 1 שניות – 1 לMose 2 18 ). ערכי הניידות האופטימלי של גרפן דווחו להיות גבוה יותר מ -10,000 סנטימטר 2 V – 1 שניות -. 1 19-21 עם זאת, monolayers TMD מוליכים למחצה להפגין ביצועי מכשיר מצוינים. לדוגמא, monolayers MOS 2 וMose 2 או תערוכת טרנזיסטורים אפקט שדה multilayer מאוד גבוה / כיבוי יחסים, עד 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. לכן, חשוב להבין את המאפיינים חשמליים הבסיסיים של TMDS ו2Dחומרים בתפזורת IR.
עם זאת, מחקרים של התכונות חשמליות של חומרי השכבה כבר הקשו באופן חלקי בגלל הקושי ביצירת קשר ohmic טוב על גבישי השכבה. בתצהיר שלוש גישות, בתצהיר מסכת צל (SMD) 23, ליתוגרפיה קרן אלקטרונים (EBL) 24,25, והתמקדו-אלומת יונים (FIB), 26,27 שימש ליצירת מגעים חשמליים בננו. בגלל SMD בדרך כלל כרוך בשימוש ברשת נחושת כמסכה, המרווח בין שתי אלקטרודות מגע הוא בעיקר גדול יותר מ -10 מיקרומטר. שלא כמו EBL ותצהיר FIB, בתצהיר מתכת של מערכי האלקטרודה על מצע מתבצע ללא מיקוד או בחירת ננו עניין בשיטת SMD. לא יכולה גישה זו מבטיחה כי דפוסי המתכת מופקדים בצורה נכונה על ננו פרט כאלקטרודות. התוצאה של שיטת SMD יש אלמנט של מזל. השיטות בתצהיר EBL וFIB משמשות במיקרוסקופ אלקטרונים סורק מערכת (SEM); ננו ניתן לצפות ישירות ונבחר לתצהיר אלקטרודה. בנוסף, EBL יכול לשמש בקלות לפברק אלקטרודות מתכת עם רוחב קו ואלקטרודה קשר מרווח קטן יותר מ -100 ננומטר. עם זאת, השייר להתנגד על פני השטח nanomaterial עזב במהלך יתוגרפיה תוצאות באופן בלתי נמנע במבנה של שכבת בידוד בין האלקטרודה המתכת וnanomaterial. לפיכך, EBL מוביל להתנגדות מגע גבוהה.
היתרון העיקרי של ייצור אלקטרודה באמצעות תצהיר FIB הוא שזה מוביל להתנגדות מגע נמוכה. בגלל בתצהיר מתכת מתבצע על ידי הפירוק של מבשר אורגן-מתכתי באמצעות אלומת יונים באזור המוגדר, בתצהיר מתכת והפגזת יון מתרחשים בו זמנית. זה יכול להרוס את ממשק מתכת המוליכים למחצה ולמנוע היווצרות של קשר שוטקי. הפגזת יון יכולה גם לחסל מזהמי משטח כגון hydrocarBons ותחמוצות ילידים, אשר מקטין התנגדות מגע. קשר ייצור ohmic באמצעות תצהיר FIB הודגם עבור ננו שונה 27-29. בנוסף, ההליך כולו בדיה בגישת תצהיר FIB הוא פשוט יותר מזה בEBL.
כמוליכים למחצה שכבה בדרך כלל להראות הולכה חשמלית איזוטרופי מאוד, המוליכות לכיוון שכבה לשכבה היא בכמה סדרי גודל נמוכים מזה בכיוון במטוס 30,31. מאפיין זה מגביר את הקושי של בודה קשר ohmic וקביעת מוליכות חשמלית. לכן, במחקר זה, בתצהיר FIB שימש ללימוד התכונות חשמליות של מוליכים למחצה ננו שכבה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הקביעה מדויקת של ערך σ והתלות שלה בממד nanocrystals השכבה תלויה מאוד באיכות של מגעים החשמליים. השיטה בתצהיר FIB משמשת לתצהיר אלקטרודה מתכת מילאה תפקיד מכריע בכל המחקר. לדברי חשמל, מבני, והרכב ניתוחים, הייצור של קשר יציב ושחזור מאוד ohmic, בשיטה בתצהיר FIB, במכשירי Mose 2 א…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
RSC thanks the support of the National Science Council (NSC) of Taiwan under Project NSC 102-2112-M-011-001-MY3. YSH acknowledges the support of the NSC of Taiwan under Project NSC 100-2112-M-011-001-MY3.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Splendiani, A., et al. Emerging photoluminescence in monolayer MoS2. Nano Lett. 10 (4), 1271-1275 (2010).
- Lebègue, S., Eriksson, O. Electronic structure of two-dimensional crystals from ab initio theory. Phys. Rev. B. 79 (11), 115409 (2009).
- 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).
- Yoffe, A. D. Layer compounds. Annu. Rev. Mater. Sci. 3, 147-170 (1993).
- Chen, Y., et al. Tunable band gap photoluminescence from atomically thin transition-metal dichalcogenide alloys. ACS Nano. 7 (5), 4610-4616 (2013).
- Radisavljevic, B., Kis, A. Mobility engineering and a metal-insulator transition in monolayer MoS2. Nature Mater. 12 (9), 815-820 (2013).
- Zhang, Y., Ye, J., Matsuhashi, Y., Iwasa, Y. Ambipolar MoS2 thin flake transistors. Nano Lett. 12 (3), 1136-1140 (2012).
- Liu, H., Neal, A. T., Ye, P. D. Channel length scaling of MoS2 MOSFETs. ACS Nano. 6 (10), 8563-8569 (2012).
- 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).
- Ong, Z. Y., Fischetti, M. V. Mobility enhancement and temperature dependence in top-gated single-layer MoS2. Phys. Rev. B. 88 (16), (2013).
- Hwang, W. S., et al. Comparative study of chemically synthesized and exfoliated multilayer MoS2 field-effect transistors. Appl. Phys. Lett. 102 (4), 165316 (2013).
- Park, W., et al. Oxygen environmental and passivation effects on molybdenum disulfide field effect transistors. Nanotechnology. 24 (9), 095202 (2013).
- 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).
- Larentis, S., Fallahazad, B., Tutuc, E. Field-effect transistors and intrinsic mobility in ultra-thin MoSe2 layers. Appl. Phys. Lett. 101 (22), 223104 (2012).
- Bolotin, K. I., et al. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid State Commun. 146 (9), 351-355 (2008).
- Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature. 438 (7065), 197-200 (2005).
- 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).
- Radisavljevic, B., Radenovic, A., Brivio, J., Giacometti, V., Kis, A. Single-layer MoS2 transistors. Nature Nanotech. 6 (3), 147-150 (2011).
- Chang, C. Y., et al. Electrical transport properties of single GaN and InN nanowires. J. Electro. Mater. 35 (4), 738-743 (2006).
- Calarco, R., et al. Size-dependent photoconductivity in MBE-grown GaN-nanowires. Nano. Lett. 5 (5), 981-984 (2005).
- Soci, C., et al. ZnO nanowire UV photodectors with high internal gain. Nano Lett. 7 (4), 1003-1009 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Das, S., Appenzeller, J. Where does the current flow in two-dimensional layered systems. Nano Lett. 13 (7), 3396-3402 (2013).
- Cullity, B. D. . Elements of X-ray Diffraction. , (1978).
- Jadczak, J., et al. Composition dependent lattice dynamics in MoSxSe(2-x) alloys. J. Appl. Phys. 116 (19), 193505 (2014).
- Weber, W. H., Merlin, R. . Raman Scattering in Materials Science. , (2000).
- Tonndorf, P., et al. Photoluminescence emission and Raman response of monolayer MoS2, MoSe2, and WSe2. Opt. Express. 21 (4), 4908-4916 (2013).
- 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).
- 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).
- Bougouma, M., et al. Growth and characterization of large, high quality MoSe2 single crystals. J. Crystal Growth. 363, 122-127 (2013).
