다결정 MoS2 박막 기반 광 검출기 반응 시간에서의 열처리 효과

Abstract

최근 이황화 몰리브덴(MoS2, Molybdenum disulfide) 물질은 단층(monolayer) 혹은 다층(few-layer) MoS2를 기반으로 한 여러 소자들, 특히 광전자 소자에서 뛰어난 성능을 보이며 차세대 소재로서 주목받고 있다. 이는 MoS2의 밴드 갭(band gap)이 1.2 eV~1.9 eV에 해당하여 넓은 파장대역의 흡수가 가능하고, 단일 층 MoS2의 경우 직접 밴드 갭을 가지고 있어 높은 발광 효율을 나타내기 때문이다. 그러나 주로 사용되는 단층 MoS2 제조 방법인 기계적 박리 방법으로는 제품 양산을 위한 대량 생산이 쉽지 않아 단층 MoS2 제작을 위해서는 발전된 기술 개발이 요구된다. 따라서 우리는 제품 양산에 용이한 다결정 박막 형태의 MoS2를 화학적 기상 증착 방법(CVD, Chemical vapor deposition)으로 제작하였고, X-선 회절 장비와 라만 스펙트럼, 광 발광 측정을 통해 정성 분석 및 구조적, 전기적 특성을 알아보았다. 그 결과 화학적 기상 증착 방법으로 증착한 MoS2 박막의 경우 (100), (110) 방향의 다결정으로 성장한 것을 확인할 수 있었고, 라만 분광법 측정을 통해 두께가 두꺼워질수록 평면 진동모드에 해당하는 피크(peak)가 적색 편이(red-shift) 하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 광 발광 측정을 통해 박막이 1.54 eV의 밴드 갭을 갖는 것을 알 수 있었다. 박막의 특성을 측정한 후, 포토리소그래피 공정을 이용하여 효율적인 광 흡수를 위한 interdigital 패턴의 전극을 형성하여 자외선 검출기를 제작하였다. 광 검출기의 반응 시간은 소자의 성능을 결정짓는 중요한 지표 중 하나이다. 이는 표면 결함(defect)에 의해 저하 될 수 있으므로 광반응 시간에 영향을 미치는 산소를 제거하기 위해 열처리를 한 후 그 결과를 비교하였다. 열처리 후 광반응 시간은 열처리 전에 비해 더 감소하여 그 성능이 개선되는 것을 확인할 수 있었고, 이는 박막의 두께가 얇을 때 더 효과적이라는 것을 알 수 있었다. 종합해보면 MoS2 박막을 이용한 광 검출기의 반응 시간은 MoS2 박막 표면의 결함들에 영향을 받고, 이를 열처리 공정을 통해 개선 할 수 있었다. 따라서 결함 제거 공정과 더불어 봉지기술(encapsulation)을 이용한다면 MoS2 박막 기반의 광 검출기의 개발에 가능성이 있을 것으로 보인다.