Development and application of SnS2 transistors

Abstract

With the development of the information and electronics industry, silicon-based transistor devices have made remarkable progress over the past half century. Due to the development of silicon-based transistors, the development and spread of various advanced technologies and rapid changes in the information society are being experienced. Recently, as the density and processing speed of photolithography-based transistor devices are gradually approaching saturation. Silicon, which is currently the main material of integrated circuit devices, cannot cope with the speed of future high-performance devices and th nano device scale of 10 nm of less because of its material properties. Therefore, research on next-generation semiconductor materials to replace them is necessary. In addition, unlike the demand for high performance and large capacity for the past half century, there is a trend to prefer electronic products with human-friendly designs that can provide convenience to humans. This requires transparent electronic devices that are lightweight, portable, flexible and wearable, which increases the need to enter high value-added industrial markets. The development of flexible electronic devices can be applied in a wide range of fields including flexible displays, wearable computers, health care, robots and energy fields. As such, new materials with mechanical/electrical properties in areas difficult to reach by silicon semiconductors are being studied. Most of the transistor studies using metal chalcogen compounds such as MoS2, WS2, and SnS2 are studied through mechanical exfoliation, liquid-phase exfoliation, or chemical vapor deposition(CVD). These methods have difficulties in large-area growth and patterning processes, and even if large-area growth is possible, it is difficult to secure material thickness uniformity and has limitations in application to flexible substrates due to high-temperature processing. This study presents SnS2 thin film capable of low-temperature, large-area processing, studies the fabrication technology and technique of SnS2 transistor, and sees the potential of SnS2 as a next-generation material.|정보전자 산업의 발전과 더불어 지난 반세기 동안 실리콘 기반 트랜지스터 소자는 눈부신 발전을 이루었다. 실리콘 기반 트랜지스터의 발전과 더불어, 세 계는 각종 첨단기술의 발전과 확산으로 인한 정보화 사회의 급격한 변화를 경 험하고 있다. 하지만, 최근 광-리소그래피 기반의 트랜지스터 소자의 직접도와 처리속도에 있어서 서서히 포화상태에 다다르면서, 현재 집적회로 소자의 주 소재인 실리콘은 소재 물성 자체가 미래의 고성능 소자의 속도와 10 nm 이하 의 나노 소자 스케일에 대응할 수 없으므로 이를 대체할 차세대 반도체 소재 에 대한 연구가 필요하다.또한, 고성능 및 대용량 위주의 지난 반세기 동안의 수요와 달리, 인간에게 편리함을 제공할 수 있는 인간친화적인 디자인의 전자 제품을 함께 선호하는 추세이다. 이는 가볍고 휴대가 용이하며, flexible, wearable 이 가능한 투명 전자 소자를 요구하며, 이는 고부가가치 산업 시장으 로의 진출에 대한 필요성을 증대시킨다. 이와 같이, flexible 전자 소자의 개발 은 flexible 디스플레이, wearable 컴퓨터, 헬스케어, 로봇, 그리고 에너지 분야 에 이르는 광범위한 영역에서 응용할 수 있다. 이처럼, 실리콘 반도체가 도달 하기 어려운 영역의 기계적/전기적 성질을 가진 새로운 소재들이 연구되고 있 다. 대부분의 MoS2, WS2, SnS2와 같은 금속 칼코겐 화합물을 이용한 트랜지스터 연구는 기계적 박리법에 의해 단결정에서 분리하여 연구하고 있다. 기계적 박 리법은 고품질의 2차원 단결정을 낮은 제조단가로 얻을 수 있다는 장점을 가 지지만, 대면적 성장 및 패터닝 공정이 어렵다는 한계를 가지고 있다. 따라서 기계적 박리법의 한계점을 해결할 수 있는 2가지 제조 방법이 대표적으로 연 구되고 있다. 첫째, 액상 박리법을 이용한 제조방법이다. 이는 기계적 박리법 에 비해 대면적으로 생산이 가능한 장점이 있다. 하지만, 액상의 재료인 Li 이 온의 희소성 문제와 제조된 2차원 소재의 두께 불균일성이 단점이 존재한다. 둘째, 기존 산업에서 많이 사용하고 있는 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)이다. 이 공정 방법은 현 공정에 적용이 가능하므로 추가적인 설비 투자가 적을 뿐 아니라, 패터닝 공정이 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 아직 기초적인 연구단계 수준으로 인하여 두께 균일성, 결정 결함 및 대면적 형성 등에 어려움이 존재하며, 고온 공정으로 인해 flexible 기판에 적용하기가 힘들다. 본 연구는 저온 대면적 가공이 가능한 SnS2 박막을 제시하고, SnS2 트 랜지스터의 제조기술과 차세대 재료로서의 가능성을 보고자한다.