Engineering optical and electrical properties of two-dimensional molybdenum disulfide using block copolymer patterns

Abstract

정보 기술이 발전 할수록 전자 기기 및 장비의 집적도는 날로 향상되어 가고 있다. 하지만, 기존에 사용하던 기술이 한계에 봉착하여, 다른 방향의 해결책이 필요 한 경우도 다수 존재한다. 그 중 한가지 예가 소자의 크기가 감소할수록 Off 전류를 제어하기 힘들어지기 때문에 발생하는 short channel effect 이다. 최근 Graphene을 비롯한 이차원 물질의 연구가 활발히 이루어 지고 있는데, 이는 원자단위의 두께로 인한 양자 구속 효과로 인해 앞서 제시한 문제점을 해결 할 수 있을 뿐만 아니라, 더 빠르고, 저전력의 전자 소자를 제작하는데 유용한 재료이기 때문이다. 하지만, Graphene은 밴드 갭이 없다는 특징으로 인해, 반도체로 사용하는 것에 어려움을 겪고 있다. 나노 크기의 패터닝이나, 기능성 기를 추가하여 밴드 갭을 발생 시키는 연구가 진행 되었으나, 그 밴드 갭의 크기는 실제 사용할 정도로 크지 않기 때문에 Graphene 기반의 전계 효과 트랜지스터 (FET)의 On/Off ratio는 낮은 수준에 머물러있다. 최근에 Graphene 과 유사한 형태의 이차원 물질, 특히 전이금속 - 칼코겐 화합물의 연구가 활발히 진행 되고 있다. TMDs 라고 불리는 물질 중 일부는 기본적으로 밴드 갭이 있는 반도체 물질이면서, 1 나노미터 이하 두께를 가지는 등 이차원 물질이 가질 수 있는 장점들도 취하기 때문에, 미래 전자소자에서의 중요한 물질로 자리 매김하고 있다. TMDs 중 가장 많이 연구가 되고 있는 이황화 몰리브덴 (MoS2)의 경우, 원자 층의 수가 줄어들수록 발생하는 양자 구속 효과로 인하여 밴드 갭이 1.2 eV에서부터 약 1.9 eV까지 변화한다고 알려져 있고, 특히 단일 층에서는 밴드 구조가 indirect에서 direct로 전환되어 발광 특성이 크게 개선된다. 이러한 측면에서 MoS2를 이용한 전자 소자 제작 및 발광 특성을 이용한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 MoS2을 주요 재료로 하여, 황 공극의 조절을 통해 그 전기적 특성 및 광학적 특성을 조절 해 보고자 하였다. 일반적으로 반도체의 전기적 특성을 조절하는 공정을 도핑 이라고 하는데, 기존 산업에서 널리 쓰이는 ion implantation 방법의 경우는 실리콘 기반의 두꺼운 매질에 대해서는 효과적으로 적용이 가능하나, 이차원 물질과 같이 그 매질이 원자 수준으로 얇은 경우에는 그 매질의 손상으로 인해 적용하기가 어려운 방식이다. 그리하여 다양한 측면에서 도핑을 하는 방법이 연구되고 있는데, 화학 및 분자 도핑 방법의 경우는 그 효과를 쉽게 확인할 수 있으나, 도핑 효과의 조절자체가 조대하고 도핑 시키는 물질이 MoS2에 화학적으로 결합하기보다는 표면에서 물리적인 결합을 하여 전하를 주거나, 받는 등의 방법으로 MoS2의 전기적 특성을 조절하는 특징을 가지고 있다. 반면, 플라즈마를 이용하여 ion을 MoS2 격자에 직접 침투시키는 방법은 그 공정의 특성상 균일도 측면과 공정의 조절이 잘 수립되어있고, 그로 인해 비교적 미세하게 조절할 수 있는 장점이 있으나, 앞서 말한 것과 같이 이차원 물질에서는 격자 손상이 곧 물질의 식각과 같기 때문에, 실질적으로 ‘원자 층 수준의’ 이차원 물질에서는 적용이 어려운 측면이 있다. 이러한 문제를 개선하고, 체계적인 실험을 위해서 본 연구에서는 블록 공중합체를 사용하여 제작한 자기 조립된 나노 사이즈의 실리카 패턴을 MoS2위에 형성시키고, 이를 플라즈마에 대한 마스크로 삼아 MoS2에서의 전체적인 화학양론적 비율을 조절하려 하였다. 블록 공중합체를 활용한 리소그래피 방식은 나노 사이즈의 패턴을 형성할 수 있다는 측면에서 미래 소자 제작 방법으로 크게 각광받고 있는 방식이다. 기계적 에칭은 Ar 플라즈마를 이용하여 적용 되었고, 실리카 패턴이 없는 MoS2에 적용해 보았을 때 광학적, 전기적 특성이 모두 감소하거나 사라지는 것을 확인하였다. 또한 XPS 분석을 통하여, MoS2에서 황의 비율이 감소하여 전체적으로 황 공극이 다량 생성됨을 확인 할 수 있었다. 황 원소의 공극은 MoS2에서 전자를 공급하는 기본적인 n-도핑 물질로 작용한다. 따라서, 황 공극의 양을 나노 크기로 자기조립 된 블록 공중합체 패턴을 이용하여 조절 함으로써, 도핑 정도를 세세하게 조절할 수 있음을 확인하였다...