Ohmse Contact Fabrication Met behulp van een Focused-Ion Beam Techniek en elektrische karakterisatie voor Layer halfgeleider nanostructuren
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
Layer halfgeleiders met gemakkelijk verwerkt tweedimensionale (2D) structuren vertonen indirect naar direct bandgap overgangen en superieure transistor prestaties, die een nieuwe richting voor de ontwikkeling van de volgende generatie ultradunne flexibele fotonische en elektronische apparaten stellen. Verbeterde luminescentie kwantumopbrengst is algemeen waargenomen bij deze atomair dunne 2D kristallen. Echter, zijn dimensie effecten buiten kwantumopsluiting diktes of zelfs op de micrometer schaal niet verwacht en zijn zelden waargenomen. In deze studie, molybdeen diselenide (mose 2) laag kristallen met dikten van 6-2,700 nm werden vervaardigd zoals twee of vier eindapparaten. Ohmse contact formatie werd met succes bereikt door de gerichte-ionenbundel (FIB) depositie methode met behulp van platina (Pt) als contact metaal. Layer kristallen met verschillende diktes werden voorbereid door middel van eenvoudige mechanische peeling met behulp van blokjes snijden tape. Stroom-spanning curve measurements werden uitgevoerd om de geleidbaarheid van de laag nanokristallen bepalen. Bovendien, hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie, Selected Area electron diffractometrie en energie-dispersieve röntgenspectroscopie werden gebruikt om het grensvlak van de metaal-halfgeleider contact van de FIB-gefabriceerde mose 2 apparaten te karakteriseren. Na het aanbrengen van de benaderingen, werd de substantiële dikte afhankelijk van elektrische geleidbaarheid in een breed scala dikte van de Mose 2-laag halfgeleidermateriaal waargenomen. De geleidbaarheid met meer dan twee orden van grootte van 4,6 tot 1500 Ω – 1 cm – 1, met een afname van de dikte van 2.700 tot 6 nm. Bovendien, de temperatuursafhankelijke geleiding aangegeven dat de dunne mose 2 multilagen vertoonde aanzienlijk zwak halfgeleidend gedrag activeringsenergie van 3,5-8,5 meV, die aanzienlijk kleiner zijn dan die (36-38 meV) van de bulk zijn. Probable oppervlakteactieve dominant transporteigenschappen en de aanwezigheid van een hoge oppervlakte elektronenconcentratie in mose 2 voorgesteld. Vergelijkbare resultaten kunnen worden verkregen voor andere laag halfgeleidermateriaal zoals MoS2 en WS2.
Introduction
Transition metal dichalcogenides (TMD), zoals MoS2, mose 2, WS 2 en WSE 2, een interessant tweedimensionale (2D) laagstructuur en halfgeleidende eigenschappen 1-3. Wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat de monolaag structuur van MoS 2 toont een aanzienlijk meer lichtemitterende efficiëntie vanwege de kwantumopsluiting effect. De vondst van het nieuwe directe bandgap halfgeleidermateriaal heeft aanzienlijke aandacht trok 4-7. Bovendien, het gemakkelijk ontdaan laagstructuur van TMD een uitstekend platform voor het bestuderen van de fundamentele eigenschappen van 2D materialen. Unlike metallic grafeen zonder bandgap, TMD hebben inherente halfgeleidende eigenschappen en een bandgap in het gebied van 1-2 eV 1.3.8. De 2D-structuur van het ternaire verbindingen TMD 9 en de mogelijkheid van integratie van deze verbindingen met grafeen bieden een ongekende opportunity aan ultradunne en flexibele elektronische apparaten te ontwikkelen.
In tegenstelling tot grafeen, de kamertemperatuur elektronenmobiliteit waarden van 2D TMD zijn op een gematigd niveau (1-200 cm 2 V – 1 sec – 1 voor MoS 10-17 februari, ongeveer 50 cm 2 V – 1 sec – 1 voor Mose 2 18 ). De optimale waarden van grafeen mobiliteit werden gemeld hoger zijn dan 10.000 cm 2 V – 1 sec. – 1 19-21 Niettemin halfgeleidende TMD monolagen vertonen een uitstekende prestatie van het apparaat. Bijvoorbeeld, de MoS 2 en Mose 2 monolagen of multilayer field-effect transistors vertonen extreem hoog aan / uit-verhoudingen, tot 10 6 -10 9 10,12,17,18,22. Daarom is het cruciaal om de fundamentele elektrische eigenschappen van de 2D TMD en begrijpenir bulk materialen.
Studies van de elektrische eigenschappen van de laag materialen zijn gedeeltelijk belemmerd vanwege de moeilijkheid in het vormen van goede ohmse contacten op de laag kristallen. Drie benaderingen, schaduw masker depositie (SMD) 23, electron beam lithografie (EBL) 24,25, en gericht ion beam (FIB) depositie, zijn 26,27 gebruikt om elektrische contactpunten op nanomaterialen vormen. Omdat SMD omvat gewoonlijk het gebruik van een koperen rooster als masker, de afstand tussen twee contactelektroden meestal groter dan 10 urn. In tegenstelling tot de EBL en FIB depositie, metaal depositie van elektrode arrays op een substraat wordt uitgevoerd zonder targeting of het selecteren van nanomaterialen van belang in de SMD-methode. Deze benadering kan niet garanderen dat de metalen patronen kunnen worden afgezet op individuele nanomaterialen als elektroden. Het resultaat van de SMD methode heeft een element van toeval. De EBL en FIB depositiemethoden worden gebruikt in descanning elektronenmicroscoop (SEM) systeem; nanomaterialen kan direct worden geobserveerd en geselecteerd elektrode afzetting. Bovendien kunnen EBL worden gebruikt om eenvoudig te fabriceren metalen elektroden met een lijnbreedte en een contactelektrode spatiëring kleiner dan 100 nm. De overblijvende resist op het nanomateriaal oppervlak gelaten tijdens lithografie onvermijdelijk resulteert in de vorming van een isolerende laag tussen de metalen elektrode en het nanomateriaal. Zo EBL leidt tot hoge contact weerstand.
Het belangrijkste voordeel van de elektrode fabricage tot FIB depositie is dat dit leidt tot lage contactweerstand. Omdat metaalafzetting wordt uitgevoerd door de ontleding van een organometaalvoorloper met een ionenbundel met de gedefinieerde ruimte, metaal depositie ionenbombardement gelijktijdig optreden. Dit zou de metaal-halfgeleider-interface vernietigen en voorkomen de vorming van Schottky contact. Ionenbombardement kan ook verontreinigingen zoals Hydrocar eliminerenbons en inheemse oxides, die contact weerstand afneemt. Ohmse contact fabricage door middel van FIB afzetting is aangetoond voor verschillende nanomaterialen 27-29. Bovendien is de gehele fabricageprocedure in de FIB depositie benadering is eenvoudiger dan in EBL.
Zoals layer halfgeleiders vertonen kenmerkend sterk anisotrope elektrische geleiding, de geleidbaarheid van de laag-tot-laag richting enkele orden van grootte lager dan in de richting 30,31 in het vlak. Deze eigenschap verhoogt de moeilijkheid van het vervaardigen ohmse contacten en het bepalen van de elektrische geleidbaarheid. Daarom is in deze studie werd FIB afzetting gebruikt voor het bestuderen van de elektrische eigenschappen van de laag halfgeleider nanostructuren.
Protocol
Representative Results
Discussion
De nauwkeurige bepaling van de waarde σ en zijn afmeting afhankelijkheid in de laag nanokristallen is sterk afhankelijk van de kwaliteit van de elektrische contacten. De FIB afzetting methode gebruikt voor metalen elektrode afzetting speelde een cruciale rol in de gehele studie. Volgens elektrische, structurele en compositie analyseert de vervaardiging van stabiele en zeer reproduceerbare ohmse contacten, via FIB depositiemethode, in het mose 2 of MoS 2 inrichtingen werd vergemakkelijkt d…
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 |
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).
