[학위논문]2차원 이황화몰리브덴 박막 기반의 전기적 접합 : 쇼트키접합, 동종접합 그리고 이황화나이오븀과의 이종접합 MoS2 electronic junctions : Schottky, layer-dependent homo-junction and hetero-junction with NbS2원문보기
이 논문에서는 2차원 MoS2의 두께에 따른 전기적 특성 변화를 관찰, 분석 하였으며 2차원 MoS2 의 특성이 물질의 두께에 매우 민감하게 변화한다는 점에 기반하여 이를 활용한 금속과의 쇼트키-접합, 다른 두께의 MoS2 간의 동종-접합, 그리고 마지막으로 NbS2 와의 이종-접합에 대해 연구하였다. 첫 번째로, 다층 구조를 갖는 MoS2의 층 수에 따른 일 함수 값의 변화를 측정 하였다. 원자 현미경의 한 종류로써 금속 시침과 표면간의 ...
이 논문에서는 2차원 MoS2의 두께에 따른 전기적 특성 변화를 관찰, 분석 하였으며 2차원 MoS2 의 특성이 물질의 두께에 매우 민감하게 변화한다는 점에 기반하여 이를 활용한 금속과의 쇼트키-접합, 다른 두께의 MoS2 간의 동종-접합, 그리고 마지막으로 NbS2 와의 이종-접합에 대해 연구하였다. 첫 번째로, 다층 구조를 갖는 MoS2의 층 수에 따른 일 함수 값의 변화를 측정 하였다. 원자 현미경의 한 종류로써 금속 시침과 표면간의 정전기력을 측정함으로써 표면 전위 (surface potential) 값을 얻을 수 있었으며 이를 바탕으로 상대적인 일 함수의 변화를 관측 할 수 있었다. 우선 다양한 층별 구조를 갖는 단일 조각 MoS2 시편을 관측 함으로써 MoS2의 일 함수는 그 두께가 증가할수록 같이 증가 함을 알 수 있었다. 층수에 따라 분명하게 변화하는 이러한 일 함수 값은 MoS2의 에너지 밴드 구조가 그 두께에 매우 민감하다는 사실을 보여준다. 이러한 결과를 바탕으로 MoS2의 층 수 변화가 디바이스의 특성에 미치는 영향을 평가 하기 위해 쇼트키 다이오드 디바이스를 구성 하였다. 표면 전위 측정을 바탕으로 MoS2는 티타늄과 매우 흡사한 일 함수 값을 가지며 이와 옴성 접합을, 백금과 큰 일 함수 차이를 보임으로써 이와 쇼트키 접합을 이룬다고 결론 내릴 수 있었다. 결론적으로 티타늄/백금 비대칭 접합 구조의 디바이스는 확실한 정류 효과를 나타내었고 두꺼운 MoS2는 단일층 MoS2 채널 디바이스에 비해 훨씬 큰 역방향 전류 값을 나타내었다. 이러한 차이는 MoS2 두께에 따른 일 함수 변화와 이에 의한 백금 전극과의 쇼트키 장벽 높이 차이로 설명 된다. 또한 미량의 NH3, NO2 가스에의 노출 실험은 각 디바이스의 역방향 전류에 보다 민감한 변화의 경향을 보였다. NH3 가스 노출에 의한 백금 전극의 일 함수 감소를 바탕으로 쇼트키 장벽 크기가 줄어들게 되어 단일 층 MoS2 채널 디바이스의 낮은 역방향 전류는 급격한 상승을 보였고 반대로 NO2 가스 노출은 쇼트키 장벽 크기를 증가시켜 다층 MoS2 채널 디바이스의 높은 역방향 전류를 급격히 감소 시키는 결과를 가져왔다. 두번째로, 이러한 MoS2의 두께 변화에 따른 그 에너지 구조의 민감한 변화를 바탕으로 우리는 서로 다른 두께를 갖는 MoS2 간의 동종 접합을 구성할 수 있었다. 이러한 동종 접합은 작지만 분명한 전위 장벽을 갖게 되리라 예상 할 수 있었으며 실제 디바이스를 구성한 결과 어느 정도의 정류 효과를 관측 할 수 있었다. 이러한 결과는 다른 층 수를 갖는 두 개의 영역으로 분리된 단일 MoS2 조각 (수평방향 접합) 에서 관측 된 결과로써 이와 다르게 서로 다른 두께를 갖는 MoS2 를 인위적으로 겹치게 만들어 동종 접합을 구성 한 경우 (수직방향 접합) 에는 정류 효과를 관측 할 수 없었다. 두 가지 경우의 차이는 우선 수평방향의 접합의 경우 그 계면은 각 MoS2 영역이 맞닿는 1차원적 영역에 한정되며, 수직방향 접합의 경우 두 MoS2 가 겹치는 2차원적 영역으로 확장된다는 점에 기인한다. 특히 수평방향 접합의 경우 1차원적 계면 바로 위에 존재하는 계단 형태로 원자 구조가 불완전하게 떨어져 나간 영역으로부터 큰 영향을 받아 계면의 상태 밀도가 크게 떨어져 이것이 전하의 이동에 방해가 되는 것으로 보여진다. 수직 방향 접합의 경우 이러한 현상은 일어나지 않는데, 이는 계면이 2차원적으로 확장 되기 때문이고 앞서 언급한 불완전한 원자적 구조로부터 상대적으로 자유롭기 때문이다. 결과적으로 수직방향 접합의 경우 접합에서 발생하는 전기적 저항이 수평방향 접합에 비해 크게 작음을 확인 할 수 있었다. 세 번째로, MoS2와 NbS2간의 이종접합을 구성하여 이를 활용한 금속-반도체-전계효과-트랜지스터 (MESFET) 장치를 제작, 시험 하였다. NbS2는 MoS2 와 흡사한 원자구조를 갖는 2차원 물질로써 그 일함수가 MoS2 에 비해 상대적으로 크고, 반도체적 성질을 갖는 MoS2와는 다르게 금속성의 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서 이러한 NbS2와 MoS2간의 접합을 구성 할 경우 이는 쇼트키 접합의 특성을 띄게 되며 특히, 2차원 물질 간의 접합은 그 계면에 어떠한 화학적, 물리적 결합이 존재하지 않기 때문에 두 물질은 서로 얼마간의 간격 (van der Waals gap)을 가진 채로 상호 영향 하에 존재하게 된다. 따라서 해당 계면에서는 어떠한 Fermi level pinning이 일어나지 않게 되므로 해당 접합은 온전히 쇼트키-모트 법칙을 따르게 된다. 이는 이상적인 쇼트키 접합을 구성할 수 있다는 의미이며 실제로 해당 접합을 활용한 쇼트키 다이오드 특성을 관측 하였을 때 매우 작은 양의 역전압 전류를 확인 할 수 있었다. MoS2 와 NbS2 사이에서 역전압 전류가 매우 작다는 것은 NbS2를 게이트 물질로 사용한 MESFET 소자에서 게이트 누설 전류가 매우 작다는 것을 의미한다. MESFET은 그 소자의 구조 특성상 게이트 전극과 채널 사이에 유전 물질이 존재하지 않으므로 게이트 누설 전류가 흔히 문제가 되는데 이것이 매우 작다는 것은 따라서 안정적인 소자 구동이 가능하다는 것을 의미한다. 특히 이러한 van der Waals 접합에 기반한 MESFET을 만든 결과 MoS2 채널에 불필요한 전하 산란이 현저히 감소하여 매우 높은 전하 이동도를 확인 할 수 있었다.
이 논문에서는 2차원 MoS2의 두께에 따른 전기적 특성 변화를 관찰, 분석 하였으며 2차원 MoS2 의 특성이 물질의 두께에 매우 민감하게 변화한다는 점에 기반하여 이를 활용한 금속과의 쇼트키-접합, 다른 두께의 MoS2 간의 동종-접합, 그리고 마지막으로 NbS2 와의 이종-접합에 대해 연구하였다. 첫 번째로, 다층 구조를 갖는 MoS2의 층 수에 따른 일 함수 값의 변화를 측정 하였다. 원자 현미경의 한 종류로써 금속 시침과 표면간의 정전기력을 측정함으로써 표면 전위 (surface potential) 값을 얻을 수 있었으며 이를 바탕으로 상대적인 일 함수의 변화를 관측 할 수 있었다. 우선 다양한 층별 구조를 갖는 단일 조각 MoS2 시편을 관측 함으로써 MoS2의 일 함수는 그 두께가 증가할수록 같이 증가 함을 알 수 있었다. 층수에 따라 분명하게 변화하는 이러한 일 함수 값은 MoS2의 에너지 밴드 구조가 그 두께에 매우 민감하다는 사실을 보여준다. 이러한 결과를 바탕으로 MoS2의 층 수 변화가 디바이스의 특성에 미치는 영향을 평가 하기 위해 쇼트키 다이오드 디바이스를 구성 하였다. 표면 전위 측정을 바탕으로 MoS2는 티타늄과 매우 흡사한 일 함수 값을 가지며 이와 옴성 접합을, 백금과 큰 일 함수 차이를 보임으로써 이와 쇼트키 접합을 이룬다고 결론 내릴 수 있었다. 결론적으로 티타늄/백금 비대칭 접합 구조의 디바이스는 확실한 정류 효과를 나타내었고 두꺼운 MoS2는 단일층 MoS2 채널 디바이스에 비해 훨씬 큰 역방향 전류 값을 나타내었다. 이러한 차이는 MoS2 두께에 따른 일 함수 변화와 이에 의한 백금 전극과의 쇼트키 장벽 높이 차이로 설명 된다. 또한 미량의 NH3, NO2 가스에의 노출 실험은 각 디바이스의 역방향 전류에 보다 민감한 변화의 경향을 보였다. NH3 가스 노출에 의한 백금 전극의 일 함수 감소를 바탕으로 쇼트키 장벽 크기가 줄어들게 되어 단일 층 MoS2 채널 디바이스의 낮은 역방향 전류는 급격한 상승을 보였고 반대로 NO2 가스 노출은 쇼트키 장벽 크기를 증가시켜 다층 MoS2 채널 디바이스의 높은 역방향 전류를 급격히 감소 시키는 결과를 가져왔다. 두번째로, 이러한 MoS2의 두께 변화에 따른 그 에너지 구조의 민감한 변화를 바탕으로 우리는 서로 다른 두께를 갖는 MoS2 간의 동종 접합을 구성할 수 있었다. 이러한 동종 접합은 작지만 분명한 전위 장벽을 갖게 되리라 예상 할 수 있었으며 실제 디바이스를 구성한 결과 어느 정도의 정류 효과를 관측 할 수 있었다. 이러한 결과는 다른 층 수를 갖는 두 개의 영역으로 분리된 단일 MoS2 조각 (수평방향 접합) 에서 관측 된 결과로써 이와 다르게 서로 다른 두께를 갖는 MoS2 를 인위적으로 겹치게 만들어 동종 접합을 구성 한 경우 (수직방향 접합) 에는 정류 효과를 관측 할 수 없었다. 두 가지 경우의 차이는 우선 수평방향의 접합의 경우 그 계면은 각 MoS2 영역이 맞닿는 1차원적 영역에 한정되며, 수직방향 접합의 경우 두 MoS2 가 겹치는 2차원적 영역으로 확장된다는 점에 기인한다. 특히 수평방향 접합의 경우 1차원적 계면 바로 위에 존재하는 계단 형태로 원자 구조가 불완전하게 떨어져 나간 영역으로부터 큰 영향을 받아 계면의 상태 밀도가 크게 떨어져 이것이 전하의 이동에 방해가 되는 것으로 보여진다. 수직 방향 접합의 경우 이러한 현상은 일어나지 않는데, 이는 계면이 2차원적으로 확장 되기 때문이고 앞서 언급한 불완전한 원자적 구조로부터 상대적으로 자유롭기 때문이다. 결과적으로 수직방향 접합의 경우 접합에서 발생하는 전기적 저항이 수평방향 접합에 비해 크게 작음을 확인 할 수 있었다. 세 번째로, MoS2와 NbS2간의 이종접합을 구성하여 이를 활용한 금속-반도체-전계효과-트랜지스터 (MESFET) 장치를 제작, 시험 하였다. NbS2는 MoS2 와 흡사한 원자구조를 갖는 2차원 물질로써 그 일함수가 MoS2 에 비해 상대적으로 크고, 반도체적 성질을 갖는 MoS2와는 다르게 금속성의 특성을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서 이러한 NbS2와 MoS2간의 접합을 구성 할 경우 이는 쇼트키 접합의 특성을 띄게 되며 특히, 2차원 물질 간의 접합은 그 계면에 어떠한 화학적, 물리적 결합이 존재하지 않기 때문에 두 물질은 서로 얼마간의 간격 (van der Waals gap)을 가진 채로 상호 영향 하에 존재하게 된다. 따라서 해당 계면에서는 어떠한 Fermi level pinning이 일어나지 않게 되므로 해당 접합은 온전히 쇼트키-모트 법칙을 따르게 된다. 이는 이상적인 쇼트키 접합을 구성할 수 있다는 의미이며 실제로 해당 접합을 활용한 쇼트키 다이오드 특성을 관측 하였을 때 매우 작은 양의 역전압 전류를 확인 할 수 있었다. MoS2 와 NbS2 사이에서 역전압 전류가 매우 작다는 것은 NbS2를 게이트 물질로 사용한 MESFET 소자에서 게이트 누설 전류가 매우 작다는 것을 의미한다. MESFET은 그 소자의 구조 특성상 게이트 전극과 채널 사이에 유전 물질이 존재하지 않으므로 게이트 누설 전류가 흔히 문제가 되는데 이것이 매우 작다는 것은 따라서 안정적인 소자 구동이 가능하다는 것을 의미한다. 특히 이러한 van der Waals 접합에 기반한 MESFET을 만든 결과 MoS2 채널에 불필요한 전하 산란이 현저히 감소하여 매우 높은 전하 이동도를 확인 할 수 있었다.
The highly crystalline, well confined atomic lattice in a two-dimensional (2D) layer is the origin of unconventional properties of 2D materials such as graphene and MoS2. Especially, in nanoelectronics, their atomically smooth surface morphology allows unique junction behavior of the van der Waals i...
The highly crystalline, well confined atomic lattice in a two-dimensional (2D) layer is the origin of unconventional properties of 2D materials such as graphene and MoS2. Especially, in nanoelectronics, their atomically smooth surface morphology allows unique junction behavior of the van der Waals interface between those materials. In this paper, we studied various junction effects based on two-dimensional MoS2 nanosheet. First, we demonstrated the layer-dependence in MoS2/metal Schottky junction. The layer-dependent work function values of MoS2 by the surface potential measurement technique. The result indicated clear layer number dependence in work function of MoS2. It showed increasing tendency with its layer number. Therefore, we fabricated Schottky diode devices using mono- and multi- layer MoS2 channels by employing Ti(Al) and Pt contacts to form ohmic and Schottky junctions respectively. Characterization results indicated n-type behavior of the MoS2 thin flakes and the devices showed clear rectifying performance. We also observed the MoS2 layer dependence in device characteristics and asymmetrically enhanced responses to NH3 and NO2 gas absorption based on the metal work function and the Schottky barrier height change. Secondly, we studied the homo-junction effects between MoS2 layers having different layer thicknesses. Because of layer-dependent band-structure, lateral and vertical junctions consisting of different MoS2 multilayers have been predicted to have finite potential barriers. The electronic and carrier transport properties of these different junctions are distinct, with the lateral (vertical) junction behaving as a 1D (2D) junction. We found the distinguishable junction effects between two types of MoS2 junctions: a lateral junction at the interface of stepped MoS2 and a vertical junction of randomly stacked MoS2. The results revealed the dominant scattering source at the lateral junction, while the vertically stacked layers exhibited effectively decoupled behavior and a significantly smaller junction resistance. Our results could facilitate the realization of high-performance MoS2 transistors with a small contact resistance. Finally, we fabricated the atomically thin Schottky hetero-junction of MoS2 and NbS2, the metallic 2D material having high work function. The extremely low saturated reverse current of the device and unconventionally high turn on voltage strongly implies the un-pinned state of Fermi level alignment and existence of van der Waals gap as an additional tunneling barrier. Also, since the Schottky diode device shows very high and clear upper voltage bound for tuning on, the device can show metal-semiconductor-field-effect-transistor (MESFET) like behavior. The built-in potential modulating based operation of the FET device substantially results in a very high electron mobility and photo-responsibility. The results show the importance of understanding unconventional behavior of 2D interface and these novel interfacial characteristics clearly widen the application of 2D materials in the fields of nano- and opto-electronics.
The highly crystalline, well confined atomic lattice in a two-dimensional (2D) layer is the origin of unconventional properties of 2D materials such as graphene and MoS2. Especially, in nanoelectronics, their atomically smooth surface morphology allows unique junction behavior of the van der Waals interface between those materials. In this paper, we studied various junction effects based on two-dimensional MoS2 nanosheet. First, we demonstrated the layer-dependence in MoS2/metal Schottky junction. The layer-dependent work function values of MoS2 by the surface potential measurement technique. The result indicated clear layer number dependence in work function of MoS2. It showed increasing tendency with its layer number. Therefore, we fabricated Schottky diode devices using mono- and multi- layer MoS2 channels by employing Ti(Al) and Pt contacts to form ohmic and Schottky junctions respectively. Characterization results indicated n-type behavior of the MoS2 thin flakes and the devices showed clear rectifying performance. We also observed the MoS2 layer dependence in device characteristics and asymmetrically enhanced responses to NH3 and NO2 gas absorption based on the metal work function and the Schottky barrier height change. Secondly, we studied the homo-junction effects between MoS2 layers having different layer thicknesses. Because of layer-dependent band-structure, lateral and vertical junctions consisting of different MoS2 multilayers have been predicted to have finite potential barriers. The electronic and carrier transport properties of these different junctions are distinct, with the lateral (vertical) junction behaving as a 1D (2D) junction. We found the distinguishable junction effects between two types of MoS2 junctions: a lateral junction at the interface of stepped MoS2 and a vertical junction of randomly stacked MoS2. The results revealed the dominant scattering source at the lateral junction, while the vertically stacked layers exhibited effectively decoupled behavior and a significantly smaller junction resistance. Our results could facilitate the realization of high-performance MoS2 transistors with a small contact resistance. Finally, we fabricated the atomically thin Schottky hetero-junction of MoS2 and NbS2, the metallic 2D material having high work function. The extremely low saturated reverse current of the device and unconventionally high turn on voltage strongly implies the un-pinned state of Fermi level alignment and existence of van der Waals gap as an additional tunneling barrier. Also, since the Schottky diode device shows very high and clear upper voltage bound for tuning on, the device can show metal-semiconductor-field-effect-transistor (MESFET) like behavior. The built-in potential modulating based operation of the FET device substantially results in a very high electron mobility and photo-responsibility. The results show the importance of understanding unconventional behavior of 2D interface and these novel interfacial characteristics clearly widen the application of 2D materials in the fields of nano- and opto-electronics.
주제어
#2D materials MoS2 Work function Surface potential Schottky diode Field effect transistor Homo-junction Hetero-junction NbS2 MESFET 2차원 물질 이황화 몰리브덴 일함수 표면전위 쇼트키 다이오드 전계효과 트랜지스터 동종접합 이종접합 이황화 나이오븀 금속-반도체 트랜지스터
학위논문 정보
저자
Hyong Seo Yoon
학위수여기관
연세대학교 일반대학원
학위구분
국내박사
학과
기계공학과..
지도교수
전성찬
발행연도
2017
총페이지
xi, 124p.
키워드
2D materials MoS2 Work function Surface potential Schottky diode Field effect transistor Homo-junction Hetero-junction NbS2 MESFET 2차원 물질 이황화 몰리브덴 일함수 표면전위 쇼트키 다이오드 전계효과 트랜지스터 동종접합 이종접합 이황화 나이오븀 금속-반도체 트랜지스터
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