광전소자 응용을 위한 2차원 층상구조의 MoSe2기반 전계효과 트랜지스터 연구

Abstract

Silicon-based semiconductor devices are constrained in the development of a variety of silicon-based electronic devices due to their energy loss and rigid properties resulted from indirect transitional band gap. In recent years, research has been actively done on transparent and flexible devices due to the rapid technological development of semiconductor manufacturing processes. Silicon-based semiconductor devices have many problems in application to flexible devices due to inherent characteristics of silicon as a main material. Graphene was discovered while researching new materials to cope with this problem, however, graphene has many limitations in its application as a semiconductor device due to its zero band gap structure. While research on new materials to improve these problems has been accelerated, the researchers have focused on two-dimensional materials that exhibit varying band gap energy as a function of thickness. In the transition metal chalcogenides (TMDCs), which are the most attracting attention, the selenized molybdenum (MoSe2) has a band gap energy of 1.5eV in case of a single layer and 1.1eV when it is a multi- Variations and Direct Transitions Due to the direct transition type band gap structure change in the band gap, the transistor fabricated with this selenized molybdenum has superior on-off ratio and high mobility (50-200cm2/Vs). And also the molybdenum selenide is expected to be more useful than it is applied to a photoelectric device due to a relatively small band gap energy as compared with other two-dimensional materials. In addition, the two-dimensional material has a strong covalent bond between the atoms and can bond with weak van der Waals forces to peel each layer relatively easily, because the layers are stacked at intervals of 0.7nm and the thickness of the molybdenum selenide peeled through AFM (atomic force microscopy) can be predicted. Despite these advantages, research on thickness and gate control is still incomplete. In this paper, nano-sized field effect transistors (FETs) were fabricated on the basis of two-dimensional MoSe2 with various thicknesses and electrical, optical characteristics were analyzed. A metal-semiconductor-metal (MSM) structure field-effect transistor was fabricated at room temperature using the mechanical stripping method of layered MoSe2. The changes of photoresponsivity, mobility, external quantum efficiency, threshold voltage (Vth) and threshold voltage over the thickness changes of the nano-sized MoSe2 layer were analyzed. The results obtained from this paper will provide important physical properties of opto-electronic devices based on two dimensional materials, and will be based on nano-layered structure energy conversion devices and flexible device research applications.|실리콘(Silicon)은 지구상에 존재하는 원소들 중 모래에서 추출하기 때문에 고갈의 우려가 적으며, 제조 공정 기술의 비약적인 발전으로 인하여 현재 거의 모든 반도체 소자에 사용되고 있다. 실리콘은 간접천이형 밴드갭(Indirect band gap) 특성과 기계적 특성의 한계로 인해 차세대 유연 디스플레이, 웨어러블 소자등의 응용에 제한을 받고 있다[1-2]. 최근 이러한 실리콘을 대체하기 위해서 다양한 신소재 연구가 활발히 이루어지고 있다[3]. 특히, 2004년에 발견된 층상 물질 그래핀(graphene)은 육각형으로 배열된 탄소원자의 단일층으로 물리적, 광학적, 기계적 특성이 우수하며 106cm2/Vs의 높은 전자 이동도를 보여주지만, 다양한 물질적 특성에도 불구하고 에너지 밴드갭(Energy band gap)이 존재하지 않는 ‘제로 밴드갭’ 구조와 낮은 on/off 전류비로 인해 전계효과 트랜지스터(field effect transistor) 및 광전자(opto-electronic) 분야에 응용하기에 많은 제약이 따른다[4-7]. 이러한 그래핀의 제한적 특성인 밴드갭을 형성하기 위한 도핑(doping) 및 그래핀의 구조를 변형시켜 밴드갭을 형성 하였지만, 제한적인 밴드갭 구조와 급격한 전자 이동도의 감소 등 여러 문제점이 발생 되었다[6]. 최근에는 국내외 연구진들은 이러한 문제점을 극복하기 위한 방안으로 h-BN, MoS2, Bi2Se3, Bi2Te3등과 같은 다양한 밴드갭을 갖는 2차원 물질(2-dimensional material)들에 대해 주목 하기 시작했다. 층상 2차원 물질들은 금속(metal), 반금속(semimetal), 절연체(insulator)와 반도체(semiconductor)를 포함하는 다양한 범위의 물리적 특성을 가지고 있으며, 밴드갭은 780~2000nm 파장을 가진 적외선(infrared ray), 380~780nm 파장의 가시광선(visible ray), 100~380nm 파장의 자외선(ultraviolet rays) 영역까지 다양하게 포함되어 있어 광범위한 응용이 가능하다. 다양한 전기적, 광학적 성질을 가진 칼코게나이드(chalcogenide), 산화물 등을 포함한 상당수의 2차원 물질이 존재한다[8]. 특히, 2차원 물질들은 약한 반데르발스 힘(Van der Waals forces)으로 결합된 층상구조를 나타내고 있으며[9-10], 반데르발스 힘으로 결합된 2차원 물질의 약한 결합 특성으로 인해 기계적 박리법(mechanical exfoliation)을 통해 고가의 장비 없이 간단하게 단층으로 분리가 되며, 결정학적으로 서로 상이한 물질 간에도 이종 구조(heterostructure)를 제작할 수 있는 장점이 있다[11].

특히 전이금속 칼코겐화합물(TMDCs, transition metal dichalcogenides)은 그래핀과 유사한 특성을 지닌 2차원 물질로 실리콘 등 기존 반도체의 한계점을 극복하기 위한 차세대 반도체 재료로 최근 많은 주목을 받고 있으며 연구가 진행되고 있다[1]. 본 논문에서는 다양한 두께의 2차원 MoSe2를 기반으로 나노규격의 전계효과 트랜지스터(FETs, field effect transistors)를 제작하여 전기적, 광학적 특성 분석 및 층상 MoSe2의 기계적 박리 방법을 이용하여 금속-반도체-금속(MSM) 구조의 전계효과 트랜지스터를 상온에서 제작 하였으며, 나노규격의 2차원 MoSe2의 두께 변화에 따른 광 응답성(photoresponsivity), 이동도(mobility), 외부양자효율(external quantum efficiency), 문턱전압(Vth, threshold voltage) 등의 변화를 분석 하였다. 본 논문을 통해 확보된 결과는 2차원 소재 기반의 광-전자 소자의 중요한 물성들을 제공함과 동시에 나노층상구조 에너지 변환소자 및 유연성 소자연구 응용에 기반이 될 것이다.