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그래핀 이상의 잠재력을 지닌 MoS2 ....

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차세대 전자소재로 각광받고 있는 그래핀은 100000 cm2/Vs 이상의 높은 전하 이동도를 갖지만 밴드갭이 매우 작은 한계를 지니고 있다. 이를 극복하기 위해 그래핀 나노리본(GNR; Graphene Nanoribbon)을 제작하면 200 meV 수준의 밴드갭을 형성할 수 있지만 전하 이동도는 200 cm2/Vs로 크게 저하되게 된다. 최근 MoS2는 위와 같은 딜레마를 뛰어넘어 새로운 2차원 물질로 떠올랐다. 벌크상의 MoS2는 1.2 eV 수준의 비선형 밴드갭을 갖지만 단일층 MoS2는 밴드갭이 1.8 eV까지 형성될 수 있고, 200~350 cm2/Vs의 전하 이동도, 106~108 수준의 높은 on/off비를 갖는 것으로 보고됐다. 하지만 MoS2 두께가 두꺼워짐에 따라 그 특성은 저하되는데 관련한 메커니즘 규명이 필요한 상황이다.

국내 연세대학교 임 성일 교수가 이끄는 연구진은 상부 게이트 구조의 MoS2 전계효과 트랜지스터(FETs; Field Effect Transistors)를 제작하고, MoS2 두께에 따른 성능 차이를 조사했다. 연구결과는 2012년 12월 3일자 Nanoscale지에 “Nanosheet thickness modulated MoS2 dielectric property evidenced by field effect transistor performance”란 제목으로 게재됐다.

연구진은 먼저 그림 1(a)와 같이 산화실리콘 기판 위에 MoS2 조각을 증착했다. 그리고 통상적인 포토리소그래피 공정을 통해 Au로 구성된 소스 및 드레인 전극을 형성했다. MoS2 두께가 증가함에 따라 그림 1(d)의 라만 스펙트럼에서 보여지듯 E2g 및 A1g 모드가 차례로 증가함을 알 수 있었다.


라만 결과를 바탕으로 MoS2 두께가 1층, 2층, 그리고 3층인 영역에서 트랜지스터 특성을 확인할 수 있다. MoS2가 두꺼워짐에 따라 그림 2(a),(b)를 살펴보면 드레인 전류 및 전하 이동도가 감소하는 것으로 나타났다. 단일층 MoS2의 경우 최대 이동도가 13 cm2/Vs 수준이며, 3층의 경우 1 cm2/Vs에 불과했다. 두께가 증가함에 따라 전자의 층간 산란 현상이 증가하여 전하 이동도의 감소가 나타난 것으로 분석된다. 하지만 기존 결과들을 살펴보면 단순히 MoS2의 두께뿐 아니라 산화 실리콘 기판 계면에서의 국부적인 상태에 매우 민감하게 반응하는 것으로 알려졌다. 그림 2(c), (d)는 소스 및 드레인 전극과 훌륭한 ohmic contact를 이루고 있음을 보여준다.

마지막으로 연구진은 그림 3(b)와 같이 원자층 증착법(ALD; Atomic Layer Deposition)을 통해 40 nm 두께의 Al2O3 절연막을 증착하고 상부 게이트 구조의 FETs를 제작함으로써 하부 게이트 구조에 비해 최소 10 배 이상의 전하 이동도를 얻을 수 있었다. MoS2 겹수가 1층, 2층, 3층일 때 전하 이동도는 각각 170, 25, 그리고 15 cm2/Vs로 나타났다. Al2O3는 7 정도의 high-k 절연막으로 우수한 MoS2 트랜지스터 특성을 이끌어낼 수 있었다.

그림 1. (a) 산화 실리콘 기판 위에 올려진 다중층 MoS2 조각, 그리고 (b) Au로 구성된 소스 및 드레인 전극을 포함하는 샘플의 광학 이미지. (c) 단일층 MoS2 박막으로 구성된 트랜지스터의 3차원 모식도. (d) 1~6층으로 구성된 MoS2 조각의 라만 스펙트럼 분석.
그림 2. 하부 게이트 구조의 MoS2 트랜지스터로, 1층, 2층, 그리고 3층으로 구성된 샘플을 비교한 (a) transfer 곡선 및 (b) 선형적인 전하 이동도. (c) 1층 및 3층으로 구성된 MoS2 하부 게이트 구조 소자의 출력 곡선.
그림 3. 절연막 Al2O3를 40 nm 두께로 증착한 상부 게이트 구조의 MoS2 트랜지스터 특성. 각각(a) transfer 곡선 및 (b) 전하 이동도를 나타내며, 삽입된 그림은 소자의 절단면 모식도를 보여줌.
[이 게시물은 최고관리자님에 의해 2013-04-04 22:12:03 Free Board에서 이동 됨]

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