MoS2 포토트랜지스터의 광응답 이득 및 방사선 내구성 분석

Abstract

최근, TMD 물질이 전기적, 광학적으로 우수한 특성으로 인해 차세대 nanoelectronics device의 채널 재료로서 주목을 받고 있다. 특히, MoS2에 관한 연구가 특히 많이 이루어지고 있다. MoS2를 사용하는 박막 트랜지스터의 경우에는 높은 전자 이동도(~200cm2/V∙s), 높은 ON/OFF ratio(~108) 및 낮은 문턱전압 이하에서 기울기(~70mV/dec)와 같은 흥미로운 전기적 특성을 가지고 있다. 또한, MoS2는 밴드갭 에너지(단층 MoS2는 1.8eV의 직접천이 밴드갭, 벌크 MoS2는 1.2 eV의 간접천이 밴드갭)와 큰 흡수 계수(단층에서 α = 1–1.5×106 cm-1, 벌크에서 α = 0.1–0.6×106 cm-1)를 가지고 있기 때문에 OFF 상태에서 낮은 누설전류를 가지며 높은 광반응성을 가지고 있어서 광전소자의 광흡수층으로도 주목 받고 있다. 따라서, MoS2를 광전소자의 흡수층으로 사용하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 하지만, 여전히 MoS2 포토트랜지스터의 이득 제어 및 구체적인 이해와 MoS2 포토트랜지스터의 활용 범위를 넓히기 위해서 필수적인 극한 환경에서 내구성을 유지하기 위한 연구가 부족한 실정이다. 이러한 맥락에서 본 논문에서는 다층 MoS2 포토 트랜지스터에서 바이어스로 조절되는 광반응성에 대하여 조사하였으며, CYTOP과 CdSe/ZnS 양자점을 감마선 차폐층으로 사용하는 MoS2 포토트랜지스터를 개발하여 CYTOP/QD층이 감마선에 의한 열화현상을 효과적으로 방지함을 확인했다. 먼저, 바이어스로 조절되는 광응답 이득에 관한 연구이다. 광이득은 MoS2의 트랩에 포획된 광생성된 정공이 소스로부터 전자를 끌어당길 때 얻어진다. 따라서, 광반응성은 게이트 또는 드레인 바이어스에 의해 제어될 수 있다. 게이트 바이어스가 문턱 전압보다 낮으면, MoS2와 소스 전극 사이의 큰 쇼트키 장벽으로 인해 채널에 소량의 전자만이 확산된다. 이 영역에서 게이트 또는 드레인 바이어스가 증가함에 따라, MoS2 채널과 소스 사이의 장병이 낮아지고 채널에 주입되는 전자의 수가 기하 급수적으로 증가한다. 한편, 게이트 바이어스가 문턱 전압보다 높으면, 드레인 전류가 캐리어 드리프트 속도에 의해 제한되기 때문에, 광반응성은 장벽의 높이보다 캐리어 속도에 의해 영향을 받는다. 따라서, 드레인 바이어스가 증가함에 따라, 캐리어 속도는 선형적으로 증가하다가 포화되므로 광반응성 또한 선형적으로 증가하다가 포화상태가 된다. 다음으로, MoS2 포토트랜지스터의 방사선 내구성 향상 연구이다. 감마선이 MoS2 포토트랜지스터에 조사되면, MoS2 채널에 원자 변위가 유발되어 on-current 및 field effect mobility가 감소한다. 또한, SiO2에는 positive oxide charge가 유발되어 광반응성을 저하시킨다. 따라서, 400Gy의 감마선 조사 후 MoS2 포토트랜지스터의 광반응성은 평균 73.83%가 감소하였다. 이러한 현상을 막기 위해 CYTOP과 CdSe/ZnS로 구성된 차폐층을 MoS2 포토트랜지스터에 적용하였다. 그 결과, 400Gy의 감마선 조사 후에도 MoS2 포토트랜지스터의 광반응성은 기존의 75.16%가 유지되었다. 이것은 감마선이 CdSe/ZnS 양자점의 높은 원자번호로 인해 높은 확률로 양자점의 전자 및 원자와 충돌하여 산란되기 때문이다. 결과적으로 MoS2 포토트랜지스터에 직접적으로 도달하는 감마선의 에너지 및 수가 감소하여 MoS2 포토트랜지스터의 광반응성이 효과적으로 유지된다. 이 연구를 통해서 인가된 게이트 또는 드레인 바이어스가 다층 MoS2 포토트랜지스터의 반응성에 미치는 영향을 이해할 수 있었다. 또한, MoS2 포토트랜지스터에 QD와 같은 차폐층을 적용하면 뛰어난 내구성으로 다양한 광검출기 분야에서 활용될 가능성을 확인하였다. 따라서, 목적 및 환경에 따라 MoS2 포토트랜지스터에 인가된 바이어스로 광이득을 조절하여 적용 범위를 증가시키고 항상 최적으로 동작하도록 제어할 수 있으며, 극한 환경에서 차폐층을 적용시킴으로써 MoS2 포토트랜지스터의 신뢰성도 확보할 수 있다.