아르곤 플라즈마 처리를 통한 2차원 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 구조상전이 거동에 관한 연구

최명훈 연세대학교 대학원 2021 국내석사

2차원(Two Dimensional) 물질은 그래핀의 발견 이후 차세대 반도체 소자로 널리 연구되어왔다. 특히 이황화몰리브덴 (MoS2)은 우수한 모빌리티 특성과 층 수에 따라 다른 밴드갭 특성을 가지는 차세대 반도체 소자 후보 중 하나이다. 하지만 이황화몰리브덴(MoS2)은 metal contact과 높은 접촉 저항을 가지며 그에 따른 소자 성능 저하의 문제점을 가지고 있다. 이 문제를 해결하기 위해 최근 연구되고 있는 분야 중 하나로 밴드갭 엔지니어링이 있으며, 이는 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조상에 따른 밴드갭 차이를 이용하는 방법이다. 이황화몰리브덴(MoS2)은 동질이상이라는 복수의 구조상을 가지며 각 구조상에 따라 도체, 반도체 등 서로 다른 전기적 특성을 가진다. 이를 통해 반도체 성질을 가지는 육방형(Hexagonal, 2H) 구조상 대신 도체 성질을 가지는 팔면체(Octahedral, 1T) 구조를 이용하면 접촉 저항을 줄일 수 있다. 이를 구현하기 위한 연구도 꾸준히 이루어 지고 있으며 아르곤 플라즈마 처리도 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조상전이 방법 중 하나이다. 아르곤 플라즈마 처리는 아르곤 이온의 물리적 충격을 이용한 운동 에너지 전달을 통해 이황화몰리브덴 (MoS2)의 구조상전이를 일으킨다. 본 연구에서는 물리적으로 박리된 단층 혹은 2층의 이황화몰리브덴(MoS2)에 축전 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 방식의 아르곤 플라즈마 처리를 통해 플라즈마의 RF전력과 처리 시간에 따른 이화몰리브덴(MoS2)의 구조상전이 현상 및 거동에 대해 알아보고자 하였다. 이황화몰리브덴(MoS2)의 구조상 및 층 수는 라만분광법 및 PL로 판별하였다. 본 연구를 통해 이황화몰리브덴(MoS2)을 disordered 및 식각없이 육방형 (2H) 상에서 팔면체(1T)상으로 구조상전이 시키기 위해서는 특정 조건의 아르곤 플라즈마 처리가 필요함을 알 수 있었다. Two-dimensional (2D) materials have been widely researched as next generation semiconductor devices after graphene was discovered. Especially, MoS2 is one of the potential candidates for 2D channel material due to its high mobility and unique band gap property depending on the number of layers. Mono layered MoS2 has direct band gap of 1.8 eV which can decrease energy loss induced by phonon emission while bulk MoS2 and Si has indirect band gap of 1.2 eV and 1.14 eV, respectively. Despite of the forementioned advantages, high contact resistance between MoS2 and metal contact caused by van der Waals gap is one of the critical problems in terms of transistor performance. Phase transition of MoS2 can be a solution for decreasing contact resistance since MoS2 has several crystal phases which have different electrical properties to each other. For example, 2H phase of MoS2 is semiconducting, whereas its 1T phase is metallic. Various researches already introduced how to transform the phase of MoS2 and experimentally proved that 1T phase can effectively reduce the contact resistance. Argon plasma-treatment is one method to change the phase of MoS2 by kinetic energy transfer through ion bombardment. However, the effect of the plasma conditions such as RF (Radio Frequency) power on phase transition still lacks systematic investigation. Also, process condition of argon plasma-treatment should be set carefully because plasmatreatment process may create disordered phase or etch MoS2 layer. In this study, we demonstrated phase transition of MoS2 in various plasma conditions. Plasma RF power and time were controlled as variables and phase transition or etching were distinguished by Raman spectroscopy and PL. Mechanically exfoliated mono- or bilayered 2H-MoS2 from bulk MoS2 was used. Argon plasma-treatment was processed in CCP (Capacitively Coupled Plasma) system with 27.12 MHz RF generator. During argon plasma-treatment, temperature, pressure and argon gas flux were fixed to 30 ℃, 2 torr and 900 sccm, respectively. RF power was performed from 20W to 100W and time were controlled from 1s to 500s. Samples were measured before and after argon plasmatreatment by Raman spectroscopy and PL. 532nm ND:Yag laser was used both in Raman and PL. Raman and PL spectra of MoS2 has changed from 2H-phase to 1T-phase according to Ar plasma treatment condition. First, the phase transition of MoS2 from 2H to 1T is depending on RF power under the same plasma treatment time. As RF power is higher, phase transition occurred more quickly. As well as etching of MoS2 occurred at high RF power. Second, the phase transition is also plasma treatment time dependent. Under 10s of plasma treatment at various RF power, the phase has not changed. However, the phase of MoS2 starts to change after 20s. Until 50s of plasma-treatment, Raman peak of 2H is almost disappears and 1T peak is only detected. After 100s, crystallinity is broken and peak shows disordered phase. After 500s, monolayer MoS2 is etched.

단층 이황화 몰리브덴의 혼합 가스 열처리에 따른 전기적?광학적 특성 연구

구유진 국민대학교 일반대학원 2022 국내석사

2차원 나노소재는 기존의 실리콘 (3차원) 및 나노선 (1차원) 등의 한계를 극복할 수 있는 가능성으로 인해 많은 연구가 진행되고 있다. 그 중에서도 층상 결정 구조와 우수한 전기적, 광학적 및 전기화학적 특성을 갖는 전이금속 칼코겐화합물 (Transition metal dichalcogenides, TMD) 반도체에 대한 관심이 급속하게 증가하고 있다. 본 연구는 이러한 전이금속 칼코겐화합물 중 가장 많은 관심을 받고 있는 이황화 몰리브덴 (Molybdenum disulfide, MoS2)에 주목하여, 이황화 몰리브덴을 채널 층으로 사용하는 트랜지스터 작동에 핵심적인 역할을 하는 반도체-금속전극의 계면 특성에 대한 심층적이고 체계적인 이해를 목표로 한다. 혼합 가스 열처리는 간편하고 짧은 과정으로 인해 전이금속 칼코겐화합물 기반 소자를 제작할 때 널리 쓰이는 공정이다. 혼합 가스 열처리는 공정 과정에서 생성된 유기물 및 불순물들을 제거하여 소자 성능의 향상시킨다고 알려져 있지만, 단층 전이금속 칼코겐화합물의 도핑 특성에 집중한 연구는 그 수가 적다. 본 연구에서는 혼합 가스 열처리를 진공 상태에서 시행한 뒤, 도핑 메커니즘을 면밀하게 관찰하였다. 이를 위해 단층 이황화 몰리브덴 전계 효과 트랜지스터를 제작하여 전기적 특성을 분석하였고, 향상된 소자의 특성은 반도체-금속전극 사이의 접촉 저항 감소로 인한 것을 확인하였다. 또한, Photoluminescence, Raman spectroscopy와 같은 광학 특성과 구조 변화, X-ray photoelectron spectroscopy를 통해 표면 조성을 분석했다. 또한, Kelvin Probe Force Microscopy으로 열처리 전후 단층 이황화 몰리브덴 일함수의 변화를 규명했다. 이러한 결과는 전이금속 칼코겐화합물을 채널 층으로 이용하는 트랜지스터 및 기타 전자 소자의 성능 향상을 위한 혼합 가스 열처리의 공정 조건을 최적화하는 것의 중요성을 보여준다. Here we report the effects of forming gas (5% H2 in N2) annealing on the doping behavior of mechanically-exfoliated, natural n-type MoS2 monolayers. Although the fabricated MoS2 transistors exhibited an enhanced device performance because of the reduced contact resistance after annealing at 200℃ for 2 h, the corresponding Raman and photoluminescence spectra suggested that the forming gas annealing degraded the n-type doping behavior of MoS2. X-ray photoelectron spectroscopy and Kelvin probe force microscopy measurements consistently suggested a downward movement of the Fermi level of the MoS2 monolayers after the forming gas annealing. We attribute the reduced n-type doping effect to the incorporation of N into S vacancies during the forming gas annealing. These results demonstrate the importance of optimizing the process conditions during the forming gas annealing for the fabrication of MoS2 transistors and devices based on transition metal dichalcogenides.

조촉매를 이용한 화학 기상 증착법에 의한 단일층 이황화몰리브덴 성장 기작에 관한 연구

최수호 동국대학교 2015 국내석사

Recently, two-dimensional (2D) materials are in the spotlight as next-generation device materials due to their remarkable electrical and optical properties as well as flexibility and transparency. Among various 2D materials, mono-layer Molybdenum disulfide (MoS2) is being paid attention because of its having semiconductor properties with direct band gap of 1.9 eV and higher mobility. To use layer-structured MoS2 for electric devices, MoS2 with a sizable area and controlling layer number should be required. There are various methods for synthesizing MoS2: mechanical or chemical exfoliation, sulfurization of Mo film, vapor transport of MoS2 powder, and chemical vapor deposition with varied precursors, etc. The exfoliation method yields MoS2 flakes with the highest crystallinity, but it is difficult to control the thickness and size of MoS2 flakes. The sulfurization method leads to growth of larger MoS2 flake. However, crystalline quality is relatively low and uniformity and layer thickness cannot be controlled. In contrast, CVD method has many advantages to grow the layered MoS2 structures such as low cost, large product and scalable flakes. In this study, CVD method was employed to grow high-quality crystalline monolayer MoS2 flakes. Various growth parameters in the CVD process can be used to control and optimize synthesizing the MoS2 flakes such as growth temperature, supply of sulfur, and growth time. On the basis of results obtained from various growth conditions, nucleation and growth mechanism of the CVD growth of MoS2 were investigated. In particular, we used seeding promotors to enhance the nucleation and growth of MoS2 flakes. In this CVD growth, Molybdenum tri-oxide (MoO3) film, which was deposited on small Aluminum oxide (Al2O3) pieces, was used as a Mo precursor. While sulfur powder was used as a S source. PTAS was employed as the promotor. The area concentration of the PTAS particles on the substrates was controlled by the growth temperatures. MoS2 flakes grown by CVD with the promoter were characterized by optical microscopy (OM), atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM), micro Raman spectroscopy and Photoluminescence (PL). In this research, three parameters were controlled during the growth process. First, the growth temperature was varied from 600 oC to 800 oC to investigate the effect of the volume of PTAS on the formation of MoS2 flakes. MoS2 flakes were not grown at 600 oC because the gas phase Mo was not enough to grow MoS2. For the growth at above 700 oC, the formation and growth of MoS2 flakes initiated and the area number of the MoS2 flakes decreased with growth temperature. The reduction of the flake numbers is related to the size and the number of PTAS nanoparticles on the substrate. As the growth temperature increases, the size and the number of the seeding promotor of PTAS particles decreases. Thus, the number of the seeds of MoS2 flakes are reduced and the crystalline quality and uniformity are enhanced. From the results, I can conclude that the growth temperature of 800 oC is suitable to grow single crystalline monolayer MoS2. Second, the ratio of S to Mo was adjusted through the control of sulfur vaporization temperature from 300 oC to 400 oC. We predicted the formation of the structure of MoS2-X. However, morphology of all grown flakes displayed the triangular shapes, which indicates that the flakes are MoS2. Also, the size of MoS2 flakes increased as the sulfur vaporization temperature increases from 350 oC to 400 oC. This result indicates that the ratio of Mo and S exceed over 1:2 in our growth conditions. Thus, only the growth rate increases with S vaporization temperature increase. Finally, to synthesize larger flakes, the growth time was controlled from 1 min to 8 min. In general, the size of the flakes should increase with growth time. However, the size of the flakes did not become larger even though the growth time increases. I speculate that the delivery of S vapor to growth region was interrupted by molybdenum oxide (MoO3) film used as a Mo precursor in our CVD system. When S vapor was moved along the MoO3 region, S vapor would be reacted with MoO3 to form MoS2 on the MoO3 film. Therefore, the volume of MoO3 vapor would not be enough for further growth of MoS2 flakes. The resulting size of MoS2 flakes did not grow larger with growth time. In summary, I found the growth conditions of high-quality and uniform monolayer MoS2 flakes with lateral size larger than 100 m. In my growth condition, the growth temperature, the sulfur vaporization temperature, and the growth time were 800 oC, 400 oC, and 3 min, respectively. The PTAS plays a crucial role in promoting the nucleation of MoS2 molecules on the SiO2/Si substrate. To obtain sizable MoS2 film larger than ~100 um, Mo and S source should be separated with modified CVD system to avoid interference between precursors.

Synthesis of stable MoS2 dispersion using freeze-dried silk

심흥보 Graduate School, Yonsei University 2016 국내석사

Liquid-phase exfoliation (LPE) does not induce the loss of semiconducting properties after process. However, the MoS2 sheet yield from LPE is too small for practical applications. We report a method for obtaining high yield of MoS2 nanosheets using freeze-dried silk fibroin powder, showing that MoS2 concentrations in MoS2/Silk dispersions sonicated for 2 and 5h are 1.03 and 1.39 mg·m–1 higher respectively than MoS2 dispersion sonicated for identical periods. Interaction between Oxygen-containing groups of silk and Mo or S elements leads to increasing dispersion stability. MoS2 dispersion with high stability can be used as a new material in fields requiring large quantities of MoS2 sheet. Silk composites that have advantage of biocompatibility also will be utilized for tissue engineering, biosensor and electrochemical electrode applications. 액체상 박리방법은 공정 후에 반도체 물성의 변화를 발생시키지 않는 장점이 있다. 하지만 액체상 박리방법으로부터 얻어지는 이황화몰리브덴의 수율은 실용적 응용에 적용하기 위해서는 낮은 편이다. 우리는 동결건조 화 된 실크 피브로인 파우더를 이용하여 고수율 이황화 몰리브덴 나노시트를 얻는 방법을 소개한다. 본 방법을 통해, 2시간, 5시간 초음파 처리 된 동결건조 실크 파우더를 포함하는 이황화 몰리브덴 용액은 실크 파우더를 포함하지 않는 동일 시간 초음파 처리 된 용액에 비하여, 1.03 과 1.39 mg/ml 더 높은 이황화 몰리브덴 농도를 가진다. 실크 아미노산 구성부분 중 산소를 포함하고는 작용기 부분과 몰리브덴 또는 설퍼 원자의 상호작용은 높은 분산 안정성을 유도한다. 이와 같은 고안장성 이황화 몰리브덴 용액은 다량의 이황화 몰리브덴 나노시트를 요구하는 응용 분야에 새로운 재료로써 활용될 수 있다. 또한 생체 호환성의 장점을 가지는 실크 복합 물질은 조직 공학, 바이오 센서, 전기화학 전극 적용 분야에 활용 될 수 있다.

이황화 몰리브덴 트랜지스터 집적을 통한 질화 갈륨 기반의 능동 구동 마이크로 LED 디스플레이에 대한 연구

황보수민 연세대학교 일반대학원 2020 국내석사

최근 디스플레이 시장은 액정 디스플레이 이후로 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED)가 각광받고 있는 가운데 차세대 디스플레이 시장을 선점하기 위하여 여러가지 기술이 경쟁하고 있으며, 무기물 기반의 마이크로 LED 디스플레이 또한 높은 신뢰성과 저전력 및 빠른 응답 속도 등의 장점을 이유로 많은 주목을 받고 있다. 다만, 마이크로 LED 디스플레이에서는 각각의 화소를 이루는 LED 칩을 별도의 기판에서 제조한 뒤 백플레인 상에 전사해야 하는데 LED 칩이 마이크로미터 크기로 작아지면서 이를 적은 비용으로 정확하게 전사하는 기술이 요구되고 있다. 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT)를 LED 칩에 집적하여 한번에 전사할 수 있다면 박막 트랜지스터와 LED 칩의 정렬이 쉬워지고 공정 비용을 줄일 수 있으며 고해상도 구현에 유리한 장점이 있다. 이에 따라 박막 트랜지스터를 LED 칩에 집적하려는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며 최근 주목받는 이차원 반도체 소재인 이황화 몰리브덴(Molybdenum Disulfide, MoS2) 또한 높은 전자 이동도 및 투명성을 가져 마이크로 LED 구동을 위한 박막 트랜지스터로 적용이 가능하다. 다만, 기존의 MoS2를 이용한 트랜지스터 연구의 경우 성장기판에서 MoS2를 성장한 뒤 원하는 기판에 건식 혹은 습식으로 전사하여 소자를 제작하는 방식을 사용하였으나, 이는 기존의 반도체 양산화 공정에 적용이 어려운 단점이 있다. 본 연구에서는 일반적인 청색 LED 소자에 사용되는 질화 갈륨(Gallium Nitride, GaN) 기반의 에피 구조 위에서 절연막을 증착한 뒤 유기금속 화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)을 이용하여 연속적인 MoS2 필름을 성장하여 4인치 웨이퍼 상에서 균일하게 성장됨을 보여주었고, 전사 공정없이 기존의 반도체 공정을 이용하여 동일 기판 위에서 LED 소자와 MoS2 트랜지스터를 수직하게 집적하였다. MoS2는 580도의 온도에서 성장하여 LED 소자의 특성을 열화시키지 않았으며, 질화 갈륨 웨이퍼 위에서 제작된 MoS2 트랜지스터는 1 cm2/Vs 이상의 전자 이동도와 106 이상의 전류 점멸비(on/off ratio)를 보여 마이크로 LED 화소를 구동할 수 있음을 보여주었다. 그리고 이러한 집적 소자를 이용하여 1cm2 크기의 16x16 마이크로 LED 능동 구동 어레이 소자를 제작하였다. 이러한 집적 소자는 MoS2 박막 트랜지스터가 LED 소자의 발광 영역 위에 수직하게 집적되어 고해상도 구현에 유리할 뿐 아니라 MoS2의 우수한 투명성과 기계적 유연성으로 인하여 투명 디스플레이 및 플렉서블 디스플레이에 응용이 가능할 것으로 기대된다. Recently, various technologies are competing to preoccupy the next-generation display market, and inorganic-based micro LED display is receiving significant attention due to high reliability, low power consumption and fast response time. However, in a micro LED display, an LED chip should be fabricated on a separate substrate and then transferred onto a backplane, and as the LED chip becomes smaller in micrometer-scale, accurate transfer at a low cost is required. If thin film transistor(TFT) can be integrated on an LED chip and transferred at one time, thin film transistor and LED chip can be easily aligned and process cost can be reduced. And also high resolution can be achieved more easily. Accordingly, there have been numerous researches for integrating thin film transistors into LED chips, and molybdenum disulfide(MoS2), which is a 2-dimensional semiconducting material, also can be a strong candidate as a material of thin film transistor for driving micro LED displays due to high electron mobility and transparency. However, in the most of conventional researches using molybdenum disulfide, devices are fabricated by growing MoS2 on a separate growth substrate and transferring it to a device substrate by dry or wet transfer method, which is not suitable for integration with mass fabrication process. In this study, 4-inch wafer scale molybdenum disulfide film was synthesized by metal-organic chemical vapor deposition(MOCVD) on a gallium nitride(GaN)-based epitaxial wafer, which is used in a general blue LED device. And GaN-based LED device and molybdenum disulfide based TFT were vertically integrated on the same substrate using a conventional mass fabrication process without a transfer process. Molybdenum disulfide was grown at a temperature of 580 degrees and did not degrade the characteristics of the LED device. Molybdenum disulfide transistors fabricated on a gallium nitride epitaxial wafer showed electron mobility of more than 1cm2/ Vs and an on/off ratio of more than 106 which could drive micro LED pixels. In addition, using this integrated device, 16 x 16 active matrix micro LED array device with a size of 1cm2 was fabricated. Such an integrated device is expected to be applied to a transparent display and a flexible display due to the excellent transparency and mechanical flexibility of the molybdenum disulfide.

Design of Peptoid/MoS₂ hybrids for bioelectronic device applications

Han, Soobean Sungkyunkwan University 2025 국내석사

2차원 나노재료는 다른 재료에 비해 낮은 노이즈와 높은 감도를 갖추고 있어 의료 진단, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 주목받고 있다. 이 중 MoS2는 다른 재료와 비교해 독특한 특성을 갖추고 있어 새로운 바이오센싱 플랫폼에 적용되고 있다. 이전 연구에서는 MoS2와 lipid bilayer 합성을 기반으로 바이오 인터페이스를 제작하여 이온 센싱을 진행하였다. 그러나 이 접근 방식은 습식 환경에서만 구동이 가능하다는 단점을 지니고 있다. 반면, 펩토이드를 기반으로 하는 바이오 플랫폼은 건식 환경에서도 본래 물성을 잃지 않고 정상적인 구동이 가능하다. 본 연구에서는 저전력 플라즈마 기반 표면 개질과 티올 그룹 기반 유기 재료 층 침착을 통해 MoS2의 전기적 특성 감소를 최소화했다. 또한 MoS2 표면에서 바이오 전자 소자를 위한 펩토이드를 설계 및 합성했으며, 라만 분광법, 원자력 현미경(AFM), 광발광(PL), 프로브 스테이션을 통해 다양한 특성을 분석하여 미래 바이오 전자소자 장치 응용 가능성을 평가했다. 플라즈마 처리 과정에서 MoS2는 약 1 nm 두께로 식각되었으며, 이는 도데칸싸이올(C12H26S)을 사용하여 복원되어 일부 손상된 영역과 장치 성능이 회복되었습니다. 펩토이드는 C18Npm4GRGD로, 친수성 부분에 RGD 사슬을 부착하여 세포와의 반응성을 향상시켰으며, 소수성 부분에 지방족 사슬을 추가하여 전통적 펩토이드의 자기조립 문제를 해결했다. 이를 기반으로, 펩토이드와 도데칸사이올 처리된 MoS2를 합성하여 하이브리드의 독특한 특성을 표면 및 전기적 특성을 분석하여 조사했다. AFM 기반 라인 프로파일링은 단일층과 이중층의 형성을 확인했으며, I-V 측정 결과 펩토이드 내 아스파르트산이 n형 도핑 효과를 생성함을 확인했다. 따라서 이 연구는 미래 바이오 전자소자 분야에서 높은 잠재력을 가진 기술로 발전할 것으로 기대된다. Two-dimensional nanomaterials are attracting attention in various fields such as medical diagnosis and environmental monitoring due to their low noise and high sensitivity compared to other materials. Among them, MoS2 has unique properties compared to other materials and is being applied to new biosensing platforms. Previous studies have produced biointerfaces based on the synthesis of MoS2 and lipid bilayers to perform ion sensing. However, this approach has the drawback of being operable only in wet environments. In contrast, bio-platforms based on peptoids can operate normally in dry environments without losing their original properties. In this study, we minimized the reduction in the electrical properties of MoS2 through low-power plasma-based surface modification and the deposition of thiol group-based organic material layers. Additionally, we designed and synthesized peptides for bioelectronic devices on the MoS2 surface and analyzed various characteristics using Raman spectroscopy, atomic force microscopy (AFM), photoluminescence (PL), and a probe station to evaluate the potential for future bioelectronic device applications. During the plasma treatment process, MoS2 was etched to a thickness of approximately 1 nm, which was restored using dodecanethiol (C12H26S), thereby recovering some damaged areas and device performance. The peptoid was C18Npm4GRGD, with an RGD chain attached to the hydrophilic portion to enhance reactivity with cells, and an aliphatic chain added to the hydrophobic portion to resolve the self-assembly issues of traditional peptoids. Based on this, we synthesized a hybrid of the peptide and dodecanethiol-treated MoS2 and investigated its unique properties by analyzing its surface and electrical characteristics. AFM-based line profiling confirmed the formation of single and double layers, and I-V measurements revealed that the aspartic acid in the peptide generates an n-type doping effect. Therefore, this study is expected to develop into a technology with high potential in the future field of bioelectronic devices.

이황화 몰리브덴 트랜지스터 집적을 통한 질화 갈륨 기반의 능동 구동 마이크로 LED 디스플레이에 대한 연구

황보수민 연세대학교 대학원 2020 국내석사

황 분위기에서 열화된 단층 이황화 몰리브덴의 n-type 특성 연구

백승주 국민대학교 일반대학원 2022 국내석사

대표적인 이차원 반도체 물질인 전이 금속 칼코겐 화합물 (TMDs, Transition metal dichalcogenides)은 그래핀과 동일 한 층상 구조를 가져 뛰어난 열적, 기계적, 전기적 안정성을 가진다. 그래핀은 에너지 밴드 갭이 없다는 준금속 특성으로 전자 소재에 활용되기 어려운 반면, 전이 금속 칼코겐 화합물은 실리콘과 비슷한 특정 에너지 밴드갭을 가져 트랜지스터를 비롯한 차세대 응용 소자로 연구가 활발히 진행중이다. 전이 금속 칼코겐 화합물 중 대표적인 물질인 이황화 몰리브덴(MoS2)은 현재까지 활발한 연구가 진행되어 오고 있지만, 고성능 소자로 응용되기 위해 당면하고 있는 몇가지 과제들이 있다. 그 중에서, 이황화 몰리브덴(MoS2)에 존재하는 황 공공(sulfur vacancy)을 어떻게 조절할 수 있는지가 논쟁의 주제가 되어왔다. 자연적으로 발생하거나 합성된 이황화 몰리브덴 결정은 일반적으로 황 공공의 생성 에너지가 낮기 때문에 이를 포함하고 있다. 황 공공은 이황화 몰리브덴을 기반으로 하는 소자 성능에 핵심적인 영향을미칠수있지만,황공공의영향에대한연구는아직명확히밝혀지지않아 논쟁의 여지가 있다. 보고된 문헌에 따르면, 이황화 몰리브덴은 자연적으로 n-type 동작 특성을 나타내며, 이는 황 공공이 이황화 몰리브덴의 n-type 도핑을 유발하는 전자 주개(electron donor)로 간주될 수 있음을 주장한다. 반면에 또 다른 주장으로는 황 공공이 트랩(trap) 상태 (또는 전자 수용체)로 작용하여 결국 이황화 몰리브덴의 결정 구조와 전기적 특성을 저하시킨다고 주장하고 있다. 이에 대한 연구들은 서로 상반된 주장을 펼치고 있으며, 황 공공이 이황화 몰리브덴에 미치는 도핑 특성 또한 아직까지 명확하게 결론이 나고 있지 않다. 따라서 본 연구는 황 분위기에서의 열처리를 통해 이황화 몰리브덴의 황 공공의 영향을 도핑 특성과 함께 면밀하게 분석하기 위해 수행되었다. 가능한 결정 두께의 영향을 배제하기 위해 기계적으로 벗겨낸 단층의 이황화 몰리브덴 결정을 사용하였다. 황 처리를 한 이후에 황공공의 농도가 줄어들었는지를 정량적으로 판단하기 위해 X-선 광전자 분광 법 (XPS)을 통해 표면 조성을 분석했다. 이후 Raman 분광 법, Photoluminescence 분석을 통해 황 분위기에서의 열처리 이후 이황화 몰리브덴의 n-type 특성이 감소하는 것을 파악할 수 있었다. 또한, Kelvin Probe Force Microscopy 분석을 통해 일함수 변화를 관측하였고, 바텀 게이트(bottom-gated) 이황화 몰리브덴 트랜지스터를 제작하여 전기적 특성 평가를 진행해 변화를 관측했다. 일함수 변화로 분석한에너지띠틈변화와소자의특성또한일관되게황분위기에서의열처리이후n- 형 동작이 감소하는 것을 파악했다. 이러한 결과를 통해 황 공공(sulfur vacancy)이 이황화 몰리브덴의 n-type 도핑을 유발하는전자주개로역할을할수있음을규명했고,차세대반도체소재개발에 황공공 농도 조절의 중요성을 보여준다. In this study, we present the findings of our investigation on the effects of annealing in a sulfur atmosphere on the n-type behavior of mechanically exfoliated monolayer MoS2 crystals. We consistently observed a decrease in the n-type behavior of the single layer MoS2 crystals after subjecting them to thermal annealing at 200°C in a sulfur atmosphere through Raman, photoluminescence, and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) measurements. The Raman, photoluminescence, and XPS measurements collectively indicated a reduction in n-type behavior followingthe annealing process, which could be attributed to a reduction in the concentration of sulfur vacancies as indicated by the XPS spectra analysis. Furthermore, the annealed monolayer MoS2 transistors exhibited a positive shift in threshold voltages and a decrease in on-currents, confirming the observed decrease in n-type conduction. These results provide compelling evidence that the reduction in the concentration of sulfur vacancies contributes to the diminished n-type behavior in monolayer MoS2. This study offers valuable insights into the impact of sulfur vacancies on the performance of single layer MoS2 devices, shedding light on the underlying mechanisms and offering potential strategies for optimizing the device performance.

Effects of Al2O3 on MoS2 electrical properties deposited by atomic layer deposition

김석진 Graduate School, Yonsei University 2016 국내석사

In recent years, interests in the 2D materials with future electronic materials are increasing. 2D materials otherwise graphene have band- gap, they appear semiconductor properties. They are layered structures in the form of thin and flexible, so they are likely to be used in a variety of fields. The characteristic of band-gap, as well as the size of the band-gap by the number of layers shows a tendency to change from the direct to the indirect with increasing number of layers. Electronic, optoelectronic, photo sensor and gas sensor are also proceeding actively on the basis of these characteristics. A variety of two-dimensional (2D) materials are being studied, however one of the materials that are the most active research is MoS2. MoS2 has the excellent properties such as low Dit, high field effect mobility, low sub-threshold swing and high on /off ratio. Among the various applications of 2D materials, field-effect transistors (FETs) are most general devices. In this regard, the fabrication of the FET using 2D materials needs to be optimized. In particular, a top gate structure is more complex than the bottom gate FET in the fabrication aspects. Furthermore, it is necessary to obtain a high electrical performance. Dielectrics, especially high-k materials (Al2O3, HfO2, ZrO2, Y2O3) improve the field effect electron mobility by reducing coulomb scattering in the channel. Various high-k materials such as Al2O3, HfO2, ZrO2, and Y2O3 have been researched for scale down the device and better electrical performance. Many studies on high-k materials for the growth of a uniform thickness and the high quality of 2D materials are also proceeding. One of the materials which are the most studied in high-k materials is the Al2O3. During various methods of forming the Al2O3, this study was used ALD (Atomic layer deposition). ALD can adjust the thickness of thin films with atomic layer level, so it has uniformity and conformality. In ALD processes, the most commonly used reactants are the O2 plasma, O3, and H2O to deposit oxide. ALD processes normally composed 4 step. (Precursor, Purge, Reactant, Purge) In the reactant step, O2 plasma, O3, and H2O were used for reactants. High reactivity radicals (O*, OH*) using O2 plasma and O3 induce the degradation of the TMDCs electrical performances by the creation of Mo-O. The H2O also oxidizes the surface of on 2D materials as previously reported. To overcome these problems a variety of surface treatments on MoS2 such as oxygen plasma and ozone had been conducted. However degradation can occurred on 2D materials along the surface treatments such as Ar and O2 plasma. However, until now, studies to find the optimal electrical characteristics were not attempted to use the H2O for Reactant in ALD process. I tried to find the conditions for best electrical properties on 2D materials having an H2O which is typically used in ALD reactant. I compared the electrical properties in top-gated FET. Finally, I have conducted a study to observe the difference in the post annealing. Thus, I conclude (i) Tr of ALD Al2O3 affects the electrical performances. The minimun Tr has better electrical performances in top-gated MoS2 FET. (ii) The post annealing process removes the trapped water molecules effectively so it is needed to get the high electrical performances in the top-gated MoS2 FETs. 최근 들어 미래 전자소재로 2차원 물질에 대한 관심이 증가하고 있다. 2차원 물질은 그래핀과는 달리 Band-gap을 가지고 있어서 반도체적 특성이 잘 나타난다. 그리고 층상구조(layered structure)를 가지고 있어서 얇고 구부러짐이 가능한(flexible) 형태로 애플리케이션(application)이 가능하여 다양한 분야에 사용될 가능성이 크다. 그리고 층(Layer) 수에 따라 밴드갭(Band-gap)의 크기뿐만 아니라 밴드갭의 특성이 직접(direct)에서 간접(indirect)로 변화하는 양상을 보인다. 이런 특성을 바탕으로 전기, 광전기, 광센서, 가스센서와 같은 다양한 애플리케이션 연구도 활발하게 진행되고 있다. 다양한 2차원물질이 연구되고 있지만 가장 활발하게 연구되고 있는 물질 중 하나가 이황화몰리브덴(MoS2)이다. 이황화몰리브덴은 높은 전계이동도(field effect mobility), 낮은 서브 트레숄드 스윙, 높은 온.오프비(on/off ratio), 낮은 인터페이스 트랩 덴시티(Dit)와 같은 우수한 특성을 지니고 있다. MoS2를 연구하는데 기본적인 구조가 바텀게이트 전계효과트랜지스터(bottom- gated field effect transistor)구조이다. 기본적인 바텀게이트 전계효과트랜지스터 구조 위에 절연막(dielectrics)을 올리고 게이트 전극(gate electrode)을 쌓으면 탑게이트 전계효과트랜지스터(top gated field effect transistor)가 된다. 탑게이트 구조는 바텀게이트 대비 공정이 복잡하지만 고성능(High-performance) 특성을 얻기 위해 필요하다. 절연막, 특히 그 중에서 고유전율(higk-k)물질(Al2O3, HfO2등등)은 채널에서 발생하는 쿨롱 스캐터링(Coulombic Scattering)을 줄여 전자이동도(electron mobility)를 개선시키고 결과적으로 저전력 기기(device)를 가능하게 한다. 최근 들어 더 좋은 특성 및 소형화(Scale-down)를 위해 다양한 고유전율 물질들(Al2O3, HfO2, ZrO2, Y2O3)에 대한 연구가 진행되고 있다. 그리고 이차원 물질 위에 균일한 두께와 품질을 가지는 고유전율 물질의 성장에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 그 중 가장 많이 연구된 물질 중 하나가 삼산화알루미늄 (Al2O3)이다. 본 연구는Al2O3를 성막하는 다양한 방법 중, 원자층 증착법(Atomic layer deposition)을 사용하였다. 원자층 증착법으로 산화막(Oxide)을 형성하는데 가장 일반적으로 사용되는 반응물(reactant)은 O2플라즈마, 오존 (O3), 물(H2O)이다. 이런 반응물은 산화막을 형성하는 과정에서 이차원 재료의 표면을 산화시키고 결과적으로 전기적 특성 저하를 가져온다. 하지만 현재까지 H2O(Thermal)를 반응물로 사용하여 최적화된 전기적 특성을 갖기 위한 연구는 시도되지 않았다. 우리는 통상적으로 사용되는 H2O를 가지고 이차원 물질 위에서 최적의 전기적 특성을 내기 위한 조건을 찾아보았고 구조(Top & Back)에 따른 차이를 비교해 보았다. 그리고 최종적으로 후 열처리(post annealing)에 따른 차이를 확인하기 위한 연구를 진행했다. 그 결과, 우리는 (1) 원자층 증착법으로 삼산화알루미늄을 증착할 때 반응물인 물의 노출 시간(Tr)이 이황화몰리브덴(MoS2) top-gated FET의 전기적 특성에 영향을 주는 것을 확인하였다. 그리고 가능한 최소한의 노출시간이 이황화몰리브덴(MoS2) top-gated FET에서 더 좋은 전기적 특성을 가지는 것을 확인하게 되었다. 또한 (2) 후 열처리 공정이 속박된 물 분자를 효과적으로 제거하는 것을 확인하게 되었고 이황화몰리브덴(MoS2) top-gated FET에서 높은 특성을 얻기 위해 필요한 것임을 확인하게 되었다.

Field effect transistor based on two-dimensional semiconductor MoS2

민정기 Graduate School, Yonsei University 2014 국내석사

We have developed MoS2 field effect transistor. To investigate transparent and flexible device we use MoS2 and graphene with optical transparency and mechanical flexibility. Heterojunction was fabricated with n-type MoS2 and p-doped ambipolar graphene. The device shows rectifying behavior and photorespose of wide range light. In place of graphene, p-type WSe2 was used to form heterojunction with n-type MoS2. The device shows photovoltaic effect unlike MoS2/graphene heterojunction. We confirmed possibility of two-dimensional material such as MoS2, WSe2 and graphene for transparent and flexible optoelectronic device.