[논문]Enhancement of TMD FET performance according to 2H-MoS2 monolayer structure

최준행; 정구혁

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최준행 (Department of Electronics and Electrical Engineering, Hongik University) , 정구혁 (Department of Electronics and Electrical Engineering, Hongik University)

본 논문에서는 Edison simulation을 이용하여 2D TMD(Transition Metal Dichalcogenides)물질인 $MoS_2$의 monolayer 구조에서 화학/물리적 특성 분석을 통해 대칭 구조인 $2H-MoS_2$의 안정성과 1.8 eV의 direct bandgap을 추출하여 전자재료로서의 가치를 확인하였다. 또한 Edison TMD FET 소자 특성 simulation을 이용하여 $2H-MoS_2$ 결정 면의 이방성으로 인한 소자 성능의 변화를 확인 하였고, 최적의 결정 면에서 최적화된 소자를 설계하여 29.6% 개선된 $I_{on}/I_{off}$ 값과 32.6% 개선된 mobility 값을 추출하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 Edison simulation tool을 이용하여 격자구조와 band structure에 따른 bandgap 변화와, MoS₂ 격자 면에 따른 물성의 이방성을 활용하여 고성능 전자소자의 조건인 mobility 와 I_on/I_off 값의 개선을 확인하는 simulation 실험을 진행하였다.

제안 방법

Edison TMD FET simulation tool을 이용해 최근 bandgap을 갖는 2D-material로 각광받고있는 MoS₂FET 성능을 최적화하였다. MoS₂의 orientation과 channel length, gate structure, oxide material 등의 parameter를 변경하며 실험을 진행하였고 이에 따라 mobility, on/off ratio, SS 등의 특성이 향상된 것을 확인하였다.
Ion/Ioff 는 Ioff = 0.1μA/μm을 기준으로 설정하여 Von = Voff + Vdd 일 때의 전류 값을 Ion으로 계산하였고, Subthreshold Swing(SS)은 log scale의 transfer curve에서 [mV/dec] 단위로 추출하였다.
Mobility는 기본 MOSFET 전류식에서 field-effect mobility( μFE )를 유도해 maximum 값을 추출하였다.

성능/효과

FET 성능을 최적화하였다. MoS₂의 orientation과 channel length, gate structure, oxide material 등의 parameter를 변경하며 실험을 진행하였고 이에 따라 mobility, on/off ratio, SS 등의 특성이 향상된 것을 확인하였다.
Figure 6는 같은 조건에서 oxide 물질을 변경하며 simulation한 결과이다. 각각 Dielectric constant 3.9(SiO₂), 9(Al₂O₃), 25(HfO₂)로 설정하였고 capacitance 값이 큰 HfO₂의 경우 전기적 특성이 가장 우수한 것을 확인하였다.
6% 증가한 것을 확인하였다. 이 결과를 통해 double gate FET 관련 기존 논문들과 마찬 가지로 double gate 구조가 전기적 성능을 개선시킨다는 사실을 수치로 확인하였다.[10,11]
이러한 Monolayer 2H-MoS₂의 이방성을 FET 소자에 적용하여 simulation을 진행한 결과 Figure 3과 같이 armchair[010] 결정 면이 zigzag[001] 결정 면보다 전기적 특성이 우수한 것을 확인 하였고, 이러한 armchair[010] 결정 면으로 channel length를 변경한 결과 Figure 4와 같이 channel length가 짧을수록 전류가 잘 흐르는 FET 소자의 일반적인 특성을 확인 하였다.

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