광학적 공명 및 국부적인 전하의 트랩을 이용한 MoS2 포토트랜지스터의 광 반응성 향상 연구

Abstract

전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides, TMD) 물질은 MX2의 결합으로 나타내며 M은 Mo, W와 같은 전이금속원소와 X는 S, Se와 같은 칼코겐원소의 공유결합(covalent bond)으로 이루어져 있다. 그 중 대표적인 물질인 MoS2는 밴드갭이 없는 그래핀(Graphene)과는 다르게 single-layer일 때 1.8eV의 indirect bandgap을, bulk일 때 1.3eV의 direct bandgap을 지녀 스위칭 소자, 즉, 전계효과 트랜지스터(field eff ect transistor, FET) 및 다용도 센싱 어플리케이션으로 활용하기에 적합하다. MoS2의 경우 박막형 물질로 매우 얇은 두께를 지녀(single layer: 0.65nm) 90% 이상의 빛이 흡수되지 못하고 투과되어 충분한 광 반응성을 지니지 못하는 문제가 있다. 본 연구에서는 위와 같은 문제를 개선하기 위해 MoS2를 기반으로 한 포토트랜지스터의 광 반응성을 reflective metal(Al) gate와 Au disk를 이용한 localized Schottky junction, 임프린트 공정을 이용한 1D 폴리머 나노 패턴으로 향상시켰다.

Reflective metal(Al)을 bottom gate로 사용하면 MoS2에 입사된 빛이 Al에서 반사되고 MoS2와 Al2O3에 cavity mode와 같이 빛이 가두어지는 효과로 MoS2가 더 많은 빛을 흡수하게 되고 광 반응성이 향상된다. 실험 결과, reflective metal(Al) gate를 사용한 경우에는 약 500nm에서 140nm의 반치폭(full width at half maximum, FWHM)을 지니며 선택적으로 반응성이 향상되었다. 해당 실험 결과를 뒷받침하기 위해 FDTD(finite-difference time-domain) 시뮬레이션을 이용하여 MoS2와 Al2O3의 두께에 의해 공진 파장의 변화하는 것을 확인하였다. 그 결과, Al2O3와 MoS2의 두께가 증가할수록 공진 파장이 장파장으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 곧 입사된 빛이 MoS2와 Al2O3 사이에 가두어져 MoS2의 빛 흡수를 돕는다는 것을 의미한다.

MoS2 표면 위에 Au disk를 패터닝하게 되면 입사된 빛에 의해 생성된 정공(hole)은 밴드 밴딩(band bending) 때문에 Au/MoS2 경계면으로 이동하다가 반데르발스 갭(van der Walls gap)에 의해 막히게 된다. 이때 정공은 경계면 주변의 트랩에 포획되며 MoS2 내의 전기적 중성을 깨뜨리게 된다. 전기적 중성을 유지하기 위해 소스로부터 전자를 공급받고, 이때 광 이득(photo-gain)이 발생하여 결국 광 반응성 향상이 일어난다. 나노 구를 렌즈처럼 사용하는 spherical-lens photolithography(SLP) 공정을 이용하여 Au disk를 패터닝하였으며 Au disk의 차지하는 면적이 커서 입사된 빛이 MoS2로 도달하는 것을 방해하지 않도록 Au disk가 전체 면적의 30% 이하가되도록 설계하였고 약 27%의 필 팩터(fill factor) 값을 갖도록 약 548.3±14.7nm 지름의 Au disk를 패터닝하였다. Au disk의 유·무에 따라 400nm에서 700nm의 영역에서 파장에 따른 광 반응성을 확인한 결과 Au disk가 패터닝된 소자의 경우가 Au disk가 패터닝되지 않은 소자에 비해 전 파장 영역에서 약 2-8.2배 높은 광 반응성을 나타냈다.

마지막으로, 차세대 리소그래피 기술인 UV 임프린트 공정을 이용하여 MoS2 포토트랜지스터 상단부에 1D 폴리머 나노 패턴을 형성하여 특정 파장에 대한 resonance를 이용하여 광 반응성을 향상시키려하였다. 폭 약 232±6nm의 1D 폴리머 나노 패턴으로 실험을 진행하였으며 제작한 MoS2 포토트랜지스터로 파장에 따른 광 반응성을 측정한 결과, 1D 폴리머 나노 패턴이 있는 경우 약 530nm 파장에서 나노 패턴이 없는 경우에 비해 약 7.8배 광 반응성이 향상되었다. 추후 grating 구조에 의해 특정 파장(530nm)에 대해 resonance가 발생했다는 것을 확인하기 위해 같은 주기의 grating 패턴을 제작하여 파장에 따른 투과율을 확인할 예정이다.

본 연구는 광학적 공명 및 국부적인 전하의 트랩을 이용하여 광 반응성을 향상시켰으며 광학적 공명을 이용할 경우 특정 사용 목적에 맞게 반응하는 파장을 선택할 수 있다. 또한, 추가적인 패터닝 공정을 통해 MoS2 포토트랜지스터에 대한 영향을 최소한으로 하며 상대적으로 값싼 공정으로 반응성을 향상시킨다는 것에서 의의가 있다.