Ohmik İletişim Fabrikasyon bir Odaklı iyon Işın Tekniği ve Elektriksel Karakterizasyonu Katmanı Yarıiletken Nanoyapıların için kullanma
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
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.
Protocol
Representative Results
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 o…
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).
