JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Resistiv Kontakta Fabrication Med hjälp av en fokuserad-ion Beam Teknik och elektrisk karakterisering för Layer Semiconductor nanostrukturer

Published: December 05, 2015
doi:
10.3791/53200
, , ,
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

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

Lager halvledare med lätt bearbetade tvådimensionella (2D) strukturer uppvisar indirekta till direkta bandgap övergångar och överlägsen transistor prestanda, vilket tyder på en ny riktning för utvecklingen av nästa generations ultratunna och flexibla fotoniska och elektroniska apparater. Förbättrad luminiscens DQE har i stor utsträckning observerats i dessa Atomically tunna 2D kristaller. Men dimensions effekter utöver kvantinneslutningstjocklekar eller ens på mikrometerskala förväntas inte och har sällan setts. I denna studie, molybden diselenid (Mosè 2) skikt kristaller med en tjockleksområdet 6-2,700 nm tillverkades som två- eller fyra-terminalanordningar. Ohmsk kontakt bildning uppnåddes framgångsrikt genom den fokuserade-jonstrålar (FIB) deponeringsmetod med platina (Pt) som en metallkontakt. Lager kristaller med olika tjocklekar framställdes genom enkel mekanisk peeling med hjälp tärning tejp. Ström-spänningskurvan measurements utfördes för att bestämma konduktivitetsvärdet hos skiktet nanokristaller. Dessutom högupplösande transmissionselektronmikroskopi selekterades-område elektron metri, och energi-dispersiv röntgenspektroskopi används för att karakterisera gränsytan mellan metall-halvledarkontakt av FIB-fabricerade Mosè 2 enheter. Efter det att de metoder, var den stora tjockleken beroende elektrisk ledningsförmåga i ett brett tjockleksområde för Mose 2 skiktet halvledare observerats. Ledningsförmågan har ökat med mer än två storleksordningar från 4,6 till 1.500 Ω – 1 cm – 1, med en minskning av tjockleken från 2700 till 6 nm. Dessutom är temperaturberoende ledningsförmåga indikerade att de tunna mose 2 multilager uppvisade avsevärt svag halvledande beteende med aktiveringsenergier av 3,5-8,5 meV, som är betydligt mindre än de (36-38 meV) av bulk. Probayt-dominanta egenskaper ble transport- och närvaron av en hög yta elektronkoncentrationen i Mosè 2 föreslås. Liknande resultat kan erhållas för andra skikt halvledarmaterial såsom MoS 2 och WS 2.

Introduction

Övergångsmetall dichalcogenides (TMDS), såsom MoS 2, Mosè 2, WS 2 och WSE 2, har en intressant två-dimensionell (2D) skiktstruktur och halvledande egenskaper 1-3. Forskare har nyligen upptäckt att monoskiktet struktur MoS 2 visar en väsentligen förbättrad Ijusemitterande effektivitet på grund av kvantinneslutning effekten. Upptäckten av det nya direkt bandgap halvledarmaterial har rönt stor uppmärksamhet 4-7. Dessutom är det lätt avskalade skiktstrukturen av TMDS en utmärkt plattform för att studera de grundläggande egenskaperna hos 2D material. Till skillnad från metalliska grafen utan bandgap, TMDS har inneboende halvledande egenskaper och har ett bandgap i området av 1-2 eV 1,3,8. 2D strukturer av ternära föreningarna enligt TMDS 9 och möjligheten att integrera dessa föreningar med grafen ger en aldrig tidigare skådad opplighet att utveckla ultratunna och flexibla elektroniska apparater.

Till skillnad från grafen, de rumstemperatur elektronrörlighet värden för 2D TMDS är på en måttlig nivå (1-200 cm 2 V – 1 sekund – 1 för MoS 10-17 Februari, cirka 50 cm 2 V – 1 sekund – en för Mose 2 18 ). De optimala rörlighet värden grafen har rapporterats vara högre än 10.000 cm 2 V – 1 sekund -. 19-21 januari Ändå halvledande TMD monoskikt uppvisar utmärkt enhet prestanda. Till exempel, MOS 2 och Mose 2 monoskikt eller flerskiktsfälteffekttransistorer uppvisar extremt höga on / off förhållanden, upp till 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. Därför är det viktigt att förstå de grundläggande elektriska egenskaperna hos 2D TMDS ochir bulkmaterial.

Emellertid studier av de elektriska egenskaperna hos skiktmaterialen har delvis hindras på grund av svårigheten i att bilda god ohmsk kontakt på skiktet kristaller. Tre metoder, skugga mask nedfall (SMD) 23, elektronstrålelitografi (EBL) 24,25 och fokuserad-jonstråle (FIB) nedfall, 26,27 har använts för att bilda elektriska kontakterna på nanomaterial. Eftersom SMD involverar typiskt användningen av en koppargaller som mask, är avståndet mellan två kontaktelektroder mestadels större än 10 | im. Till skillnad från EBL och FIB nedfall, metallbeläggning av elektroduppsättningar på ett substrat utförs utan inriktning eller välja nanomaterial av intresse i SMD-metoden. Detta tillvägagångssätt kan inte garantera att metallmönster är korrekt deponeras på enskilda nanomaterial som elektroderna. Resultatet av SMD-metoden har ett element av slump. EBL och FIB deponeringsmetoder används isvepelektronmikroskop (SEM) -systemet; nanomaterial kan observeras direkt och ut för elektrodavsättning. Dessutom kan EBL användas för att enkelt tillverka metallelektroder med en linjebredd och en kontaktelektrod avstånd mindre än 100 nm. Emellertid rest resist på nanomaterialet ytan kvar under litografi leder oundvikligen till bildning av ett isolerande skikt mellan metallelektroden och nanomaterialet. Således leder EBL till högt kontaktmotstånd.

Den största fördelen med elektrodtillverkning genom FIB nedfall är att det leder till lågt kontaktmotstånd. Eftersom metalldeponering utförs genom sönderdelning av en organometallisk prekursor genom användning av en jonstråle på det definierade området, metalldeponering och jonbombardemang sker samtidigt. Detta skulle kunna förstöra metallhalvledargränssnitt och förhindra bildning av Schottky-kontakt. Jonbombardemang kan också eliminera ytföroreningar såsom Hydrocarbons och nativa oxider, vilket minskar kontaktmotståndet. Ohmsk kontakt tillverkning genom FIB nedfallet har visats för olika nanomaterial 27-29. Dessutom är hela tillverkningsprocedur i FIB avsättnings tillvägagångssätt enklare än den i EBL.

Som skikt halvledare visar vanligtvis starkt anisotrop elektrisk ledning, är konduktiviteten i skiktet till skikt riktningen flera storleksordningar lägre än den i den i planet riktning 30,31. Denna egenskap ökar svårigheten att fabricera ohmska kontakter och att bestämma den elektriska ledningsförmågan. Därför, i denna studie FIB avsättning användes för att studera de elektriska egenskaperna hos skikt halvledarnanostrukturer.

Protocol

1. Strukturell karakterisering av Mosè 2 Layer Kristaller (se steg 1 i fig 1) XRD Measurement Procedure Montera en mose 2 lager kristall (med storleksintervallet 5 x 5 x 0,1 till 10 x 10 x 0,5 mm 3) eller kristallpulver (som blandades med kvarts pulver och bindemedel och smort på objektglas) på hållaren. Tryck hållaren genom ett objektglas för att säkerställa lager kristall yta parallell till innehavaren ytan. Ladda provhållaren i diffrakt…

Representative Results

De bestämda värdena för den elektriska konduktansen (G) och konduktivitet (σ) av skiktnanomaterial med olika tjocklekar är i hög grad beroende på kvaliteten hos de elektriska kontakterna. De ohmska kontakterna för FIB-avsättningstillverkade två-terminala mose 2 enheter kännetecknas genom mätning av den ström-spänning (I – V) kurvan. De rumstemperatur I – V-kurvor för två-terminala Mose 2 nanoflake enheter med olika tjocklekar visas</strong…

Discussion

Den noggranna bestämningen av σ värdet och dess dimension beroende i skiktnanokristaller är mycket beroende av kvaliteten på de elektriska kontakterna. FIB nedfall metod som används för metallelektrod nedfall spelat en avgörande roll under hela studien. Enligt elektriska, strukturella, och sammansättningsanalyser, tillverkning av stabila och höggradigt reproducerbara ohmska kontakter, med användning av FIB-avsättningsförfarande, i Mosè 2 eller MoS2-enheter underlättades genom bildandet…

Disclosures

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
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. , (1978).
  33. Jadczak, J., et al. Composition dependent lattice dynamics in MoSxSe(2-x) alloys. J. Appl. Phys. 116 (19), 193505 (2014).
  34. Weber, W. H., Merlin, R. . Raman Scattering in Materials Science. , (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

Ohmic ContactFocused-ion BeamLayer SemiconductorMoSe2Electrical CharacterizationThickness-dependent ConductivitySurface-dominant TransportTwo-dimensional Materials
check_url/53200?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Chen, R., Tang, C., Shen, W., Huang, Y. 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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image