인가 바이어스로 제어하는 다층 MoS₂ 포토트랜지스터의 광응답도

요약

인가 바이어스 변화에 따른 다층 MoS₂ 포토트랜지스터의 광응답도 변화를 연구했습니다. 광생성 정공이 MoS₂에 트랩되어 소스로부터 전자를 끌어당길 때 광응답 이득이 발생합니다. 따라서 게이트 또는 드레인 바이어스로 광응답도를 제어할 수 있습니다. 게이트 바이어스가 문턱 전압 미만일 때, MoS₂ 채널과 소스 전극 사이의 큰 장벽으로 인해 소량의 전자만 채널로 확산됩니다. 이 영역에서 게이트 또는 드레인 바이어스가 증가하면 장벽이 낮아지고 채널로 주입되는 전자 수가 기하급수적으로 증가하여 광응답도도 기하급수적으로 증가합니다. 반면 게이트 바이어스가 문턱 전압 이상이면 드레인 전류가 캐리어 드리프트 속도에 의해 제한되므로, 광응답도는 장벽 높이가 아닌 캐리어 속도의 영향을 받습니다. 드레인 바이어스 증가에 따라 캐리어 속도가 선형 증가하다 포화되므로, 광응답도 역시 선형 증가 후 포화됩니다.

배경

최근 이황화 몰리브덴(MoS₂) 등 전이금속 칼코겐화물(TMD) 소재가 차세대 나노전자 소자의 채널 물질로 주목받고 있습니다. 특히 단일층 MoS₂ 트랜지스터는 높은 전자 이동도(~200 cm² V⁻¹ s⁻¹), 높은 온/오프 비(~10⁸), 낮은 서브스레숄드 스윙(~70 mV dec⁻¹) 등 우수한 전기적 특성을 보입니다. 또한 MoS₂는 밴드갭 에너지(단일층 1.8 eV 직접 천이, 벌크 1.2 eV 간접 천이)와 큰 흡수 계수 덕분에 광흡수층으로도 각광받습니다. 이에 MoS₂ 포토트랜지스터는 오프 상태에서 낮은 암전류와 높은 광응답도를 가집니다. 그래핀, 양자점, 유기 염료, WS₂, ZnO, p-타입 MoS₂ 등 추가 층 도입이나 게이트 유전체 변경으로 성능 개선이 활발히 연구되어 왔으나, MoS₂ 포토트랜지스터의 이득 제어와 근본적 이해에 대한 연구는 부족했습니다. 이득 제어가 가능하면 다양한 빛 세기를 신뢰성 있게 검출할 수 있고, 추가 공정 없이 이득을 높일 수 있습니다. 본 연구에서는 다층 MoS₂ 포토트랜지스터에서 바이어스(드레인 또는 게이트) 제어 광응답도를 조사했습니다.

방법

그림 1a는 제작된 다층 MoS₂ 포토트랜지스터의 개략도입니다. 고농도 n-도핑 실리콘 기판 위에 250 nm SiO₂를 성장시켰습니다. 벌크 MoS₂에서 기계적 박리(스카치테이프법)로 다층 MoS₂ 플레이크를 얻고 SiO₂/Si 기판에 전사했습니다. 포토리소그래피로 소스/드레인 전극 패터닝 후 전자빔 증착으로 Ti/Au(5/80 nm)를 형성했습니다. 그림 1b는 제작된 소자의 AFM 이미지입니다. 채널 길이 7.31 µm, 폭 4.74 µm, 두께 약 49 nm(약 75층, 단일층 두께 0.65 nm 기준)입니다.

암실에서 드레인 바이어스 3, 9, 15, 21, 27 V로 전달 특성을 측정했습니다(Keithley 2614B, 상온, N₂ 분위기). 온/오프 비 약 10⁵. 드레인 바이어스 3 V에서 전계 효과 이동도 18.6 cm²/V·s로 추출했습니다(식 1). 드레인 바이어스 증가 시 문턱 전압 감소와 서브스레숄드 스윙 증가가 관측되어, 드레인 바이어스가 문턱 전압과 서브스레숄드 스윙에 영향을 줌을 알 수 있습니다. 일반적으로 문턱 전압은 식 (2)로 추정되나, 이는 드레인 바이어스가 작아 속도 포화 효과가 무시될 때만 성립하므로 큰 드레인 바이어스에서는 정확한 추출이 어렵습니다. 따라서 서브스레숄드 스윙 변화만 추출하여 드레인 바이어스의 채널 영향을 확인했습니다. 그림 1d에서 드레인 바이어스 3→27 V 증가 시 서브스레숄드 스윙이 1.44→3.14 V/decade로 증가했습니다. 이는 큰 드레인 바이어스가 MoS₂ 채널과 Au 소스 전극 간 장벽을 낮추어 게이트의 채널 제어력을 약화시킴을 의미합니다.

466 nm DPSS 레이저로 다양한 조도에서 전달 특성을 측정하여 응답도를 조사했습니다. 그림 2a는 드레인 전압 3 V에서 암실 및 5, 7, 10 mW/cm² 조도 하 전달 특성입니다. 조도 증가 시 곡선이 왼쪽으로 이동하여, 광생성 정공이 MoS₂ 채널에 트랩되어 양의 게이트 바이어스 역할을 함을 보여줍니다. 그림 2b는 게이트 바이어스 −30 V 고정 시 조도와 드레인 바이어스 증가에 따른 광전류와 응답도 변화입니다. 광전류 = 조명 시 드레인 전류 − 암전류, 응답도 = 광전류/입사 광파워. 드레인 바이어스와 조도 증가 시 둘 다 증가합니다. 466 nm에서 100% 외부 양자 효율(EQE) 대응 응답도는 0.375 A/W인데, 드레인 바이어스 15 V, 조도 8 mW/cm²에서 측정 응답도가 이를 초과하여 광응답 이득이 존재하며 드레인 바이어스의 영향을 받음을 입증합니다.

게이트 전압에 따른 광응답도 변화를 보기 위해 5 mW/cm² 조명 하 드레인 전압 3→27 V 증가 시 광전류를 측정했습니다(그림 3a). 게이트 바이어스 증가 시 오프 상태(V_GS < V_th)에서 광전류가 기하급수적으로 증가하다 온 상태(V_th < V_GS)에서 포화됩니다. 이는 게이트 바이어스 −30 V(오프 상태) 조명 시 MoS₂ 채널과 소스/드레인(Au) 전극 사이에 큰 장벽이 형성되어(그림 3b), 트랩된 정공으로 파괴된 채널 중성 유지를 위한 전자 주입이 원활하지 않기 때문입니다. 게이트 바이어스가 문턱 전압까지 증가하면 장벽이 낮아져 전자가 쉽게 채널로 확산되어 기하급수적 증가를 보입니다. 반면 게이트 바이어스가 문턱 전압을 넘으면(온 상태) 장벽이 충분히 낮아져 광전류가 포화됩니다(그림 3c). 드레인 바이어스 증가 시 오프/온 상태 모두에서 광전류가 증가하는데, 이는 기존 포토트랜지스터(오프 상태에서만 측정)와 달리 온 상태에서도 드레인 전압 증가에 따라 광응답 이득이 있음을 의미합니다.

오프 상태(−30 V)와 온 상태(27 V)에서 드레인 바이어스에 따른 광응답 특성을 측정하여 드레인 바이어스 효과를 검증했습니다(그림 4). 오프 상태에서 광전류와 응답도는 드레인 바이어스에 따라 기하급수적으로 증가합니다. 드레인 바이어스 3 V, 조도 10 mW/cm²에서 광전류 4.28×10⁻¹⁴ A(응답도 0.12 A/W)가 27 V에서 1.57×10⁻⁸ A(4.53 A/W)로 급증했습니다. 반면 온 상태에서는 광전류(그림 4c)와 응답도(그림 4d)가 드레인 바이어스 증가에 따라 선형 증가 후 포화됩니다. 조도 5 mW/cm² 고정 시 드레인 바이어스 3→27 V에서 광전류(응답도)가 2.9×10⁻⁶ A(1677 A/W) → 1.5×10⁻⁵ A(8667 A/W)로 5배 증가했습니다. 검출도도 응답도와 같은 경향을 보입니다. 오프 상태에서 3→27 V로 1.76×10⁸→2.87×10⁸ Jones, 온 상태에서 6.14×10⁹→8.63×10⁹ Jones로 증가했습니다. 따라서 오프 상태에서는 확산 전류가 지배적이므로 드레인 바이어스 증가 시 응답도가 기하급수적으로, 온 상태에서는 드리프트 전류가 지배적이므로 선형적으로 증가합니다.

관찰된 드레인 바이어스 의존성은 그림 5의 개략적 에너지 밴드 다이어그램으로 설명됩니다. 조명 시 MoS₂ 채널에서 전자-정공 쌍이 생성되고, 정공이 채널에 트랩되어 중성이 깨집니다. 그러면 양전하를 띤 채널이 중성 유지를 위해 소스로부터 더 많은 전자를 끌어당기는데, 소스에서 공급되는 전자 양이 광응답 이득을 결정합니다. 게이트 바이어스가 문턱 미만일 때(그림 5a) MoS₂ 채널과 소스 사이에 큰 장벽이 있고 드레인 전류는 장벽 위 확산에 의해 제한됩니다. 드레인 바이어스 증가 시(그림 5b) MoS₂ 채널 밴드 벤딩으로 장벽이 낮아져 전자 공급이 원활해지므로, 그림 4b와 같이 광응답도가 드레인 바이어스에 대해 기하급수적으로 향상됩니다. 게이트 바이어스가 문턱 이상이면(그림 5c) 장벽이 충분히 낮아져 드레인 전류가 채널 내 캐리어 드리프트에 의해 제한됩니다. 따라서 캐리어 드리프트 속도가 광응답도 변화의 주요 인자입니다. 이 영역에서 드레인 바이어스 증가 시(그림 5d) 캐리어 속도와 광응답도가 선형 증가하다 특정 드레인 바이어스(~10 V)에서 포화됩니다(그림 4d).

결론

다층 MoS₂ 기반 포토트랜지스터를 제작하고 바이어스(드레인 또는 게이트) 제어 광응답도를 상세히 조사했습니다. 바이어스에 따른 광응답도 변화는 게이트 바이어스가 문턱 전압보다 작은 경우(오프 상태)와 큰 경우(온 상태)로 나뉩니다. 오프 상태에서는 MoS₂와 소스 전극 간 큰 장벽으로 소량의 전자만 확산되나, 게이트/드레인 바이어스 증가로 장벽이 낮아져 중성 유지를 위한 전자 주입이 기하급수적으로 증가하여 광응답도도 기하급수적으로 증가합니다. 온 상태에서는 장벽이 충분히 낮아 전류가 캐리어 드리프트 속도에 의해 제한되므로, 드레인 바이어스 증가에 따라 캐리어 속도와 광응답도가 선형 증가 후 포화됩니다. 다층 MoS₂ 포토트랜지스터의 게이트/드레인 바이어스에 따른 응답도 변화를 이해함으로써, 이득을 제어하여 용도와 환경에 따라 최적 동작이 가능해지고 응용 범위를 넓힐 수 있습니다.