실리콘 기반 MoS2 이종 접합구조의 전기적 및 광전기적 특성

Abstract

2차원 층상구조를 가지는 대표적인 물질들인 그래핀과 전이금속 칼코젠 화합물(transition metal dichalcogenides, TMDs) 소재는 최근 물리적, 화학적으로 놀라운 특성들을 보여주며 차세대 반도체 소자 재료로 주목을 받고 있다.[1,2] 특히, 전이금속 칼코젠 화합물 물질들 중에서도 n타입 반도체 특성을 가지고 있는 이황화몰리브덴 (molybdenum disulfide, MoS2)은 제한적 반도체 특성을 보이는 그래핀에 비해 다양한 반도체 소자에 응용이 가능하다는 장점을 가지고 있어 많이 연구되고 있는 물질이다.[3-7] 단층의 MoS2는 기본적으로 한 층의 몰리브덴 원자층을 두 층의 황 원자층이 샌드위치처럼 감싸는 구조로 구성되어 있으며, 상대적으로 강한 결합인 공유결합으로 결합되어 있다. 그리고 다층의 MoS2의 경우에는 단층의 MoS2가 상대적으로 약한 결합이 반 데어 발스(Van der Waals) 결합으로 층상구조를 이룬다.[8] 그래서 MoS2는 그래핀과 유사하게 테이프를 이용해서 쉽게 단층부터 다층까지 다양한 두께를 가지는 박막을 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 게다가 MoS2는 두께에 따라서 밴드 갭(밴드 갭)이 달라지는 독특한 특성을 가지고 있는데, 단층의 MoS2는 약 1.8 eV의 직접형 대역간극 에너지(direct band gap)를 가지며, 다층의 MoS2는 약 1.3 eV의 간접형 대역간극 에너지(indirect band gap)을 가진다. [9,10]그래서 MoS2의 두께를 조절하여 넓은 범위의 광학 대역차의 조절이 가능하다.[11] 최근 단층 MoS2 기반의 광전자 소자가 대단한 광전기적 특성들을 보여주면서 집중적으로 연구되고 있다. 특히, 이전에 다층 MoS2를 이용하여 제작한 소자들과 비교했을 때 놀라울 정도로 높은 광응답(photoresponsivity)이 측정되었는데 이러한 결과는 단층 MoS2가 직접형 대역간극 에너지를 가지고 있기 때문이라고 생각해 볼 수 있다.[6,12] 하지만 단층 MoS2를 이용하여 제작한 소자들은 극도로 얇은 박막을 이용하여 제작하였기 때문에 외부의 광자를 흡수하는데 제한이 있을 수 밖에 없다. 따라서 광자로 인해서 전자-정공쌍의 형성이 다층 MoS2보다 부족하게 되고 결과적으로 광전류가 충분하게 형성되기가 어렵다. 게다가 대표적인 3 단자 소자(three-terminal device)인 트랜지스터는 현재 가장 많이 연구되는 소자 중의 하나인데 다이오드 같은 소자와 비교했을 때, 전류 작용 특성이 약하다는 단점을 가지고 있으며, 공정과정 역시 2 단자 소자(two-terminal device)와 비교했을 때 더 복잡하다. 그래서 위와 같은 단점들을 보완한 2 단자 다층 MoS2 광전자 소자를 제작하게 되었다. 본 연구에서는 차세대 반도체 소자의 물질로 주목을 받고 있는 2차원 물질인 다층 MoS2를 이용하여 수직형 접합 광다이오드 소자를 제작하였으며, 간단한 공정과정이 가능하여 MoS2와 실리콘 기판 사이의 계면이 깔끔하게 접합이 가능하여 전류-전압 특성곡선(current-voltage (I-V) characteristics)으로부터 1.09의 이상계수(ideality factor)를 얻을 수 있었다. 또한 파장이 525 nm 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 아래에서 광응답이 기존에 연구가 되었던 소자들보다 높은 값인 약 980 A/W를 얻을 수 있었다. 본 연구를 통해 MoS2/p+-Si 수직형 이종 접합 구조의 광 다이오드가 광 트랜지스터와 비견할 만큼 놀라운 전기적, 광전기적인 특성을 가질 수 있다는 가능성을 확인하였다.