다층 MoTe₂ 트랜지스터의 P-N 타입 전환 제어 및 상보 인버터 응용

초록

상보 전자 및 광전자 회로 구현을 위해서는 p형과 n형 MoTe₂ 트랜지스터가 모두 필수적이다. 본 연구에서는 Au 전극을 사용하여 대기 안정적인 p형 다층 MoTe₂ 트랜지스터를 제작하고, 진공 어닐링을 통해 n형 트랜지스터로 전환할 수 있음을 보였다. 온도 의존적 in-situ 측정과 제1원리 시뮬레이션 결과, 본질적인 n형 거동은 텔루륨 공공에 기인하며, 대기 노출 시 산소/물 레독스 쌍과의 전하 이동으로 p형 동작이 안정화됨을 밝혔다. p형과 n형 MoTe₂ 채널을 모두 이용하여 V_DD = 5 V에서 전압 이득 9에 달하는 상보 인버터를 제작하였다.

배경

그래핀 등 2차원(2D) 소재는 원자 단위 박막으로 박리되어 2D 물리 및 소자 응용의 새 지평을 열었다[1-9]. 전이금속 칼코게나이드(TMD)는 상당한 밴드갭과 기계적 유연성, 화학적 불활성을 지녀 차세대 전계효과 트랜지스터(FET), 인버터, 발광 다이오드, 반데르발스 이종구조 등에 매력적이다[2-28].

2H-이텔루라이드 몰리브덴(2H-MoTe₂)은 전형적인 TMD로, 벌크에서 간접 밴드갭 0.83 eV, 단일층에서 직접 밴드갭 1.1 eV를 가진다[29-30]. 스핀트로닉스, FET, 포토디텍터, 태양전지 등에 연구되어 왔다[31-39]. 다층 2H-MoTe₂는 큰 표면적 대 부피 비율로 인해 전자적 특성이 대기 흡착 물질에 매우 민감하여 본질적 수송 특성 추출을 어렵게 한다.

본 연구에서는 소스-드레인 전극을 갖춘 다층 2H-MoTe₂ 트랜지스터를 제작하고, 깨끗한 MoTe₂ 플레이크를 전이시켜 채널을 형성하였다. 전체 소자를 대기에 노출시켜 흡착종의 전하 수송 영향을 조사하였다. 진공 및 온도 의존적 측정으로 트랜지스터가 본질적으로 n형임을 보였고, 대기 노출이 p형 도핑을 유도함을 보였다. 밀도범함수 이론(DFT) 계산으로 n형 거동이 텔루륨 공공에 기인함을 밝혔다. p-n 타입 전환을 이용해 대칭적 입출력 특성과 최대 이득 9(V_DD = 5 V)를 보이는 상보 인버터를 구현하였다.

결과 및 고찰

기존 보고와 달리 본 소자 구조(Fig. 1a)는 백게이트 구조로 시작한다. 먼저 SiO₂/Si⁺ 기판에 Cr/Au 소스-드레인 전극을 패터닝하였다. 기계적 박리법으로 별도 SiO₂/Si⁺ 웨이퍼에서 다층 MoTe₂ 플레이크를 제조한 후 전극 사이로 전이시켜 폴리머 없는 깨끗한 채널을 확보하였다(Fig. 1b). 플레이크 전체가 대기에 노출되어 흡착종의 고유 전도도 영향을 체계적으로 연구할 수 있다.

AFM 이미징으로 17 nm(약 24 단일층) 두께를 확인하였고(Fig. 1c,d), 라만 분광법으로 A₁g(172 cm⁻¹), E¹₂g(233 cm⁻¹), B¹₂g(289 cm⁻¹) 모드가 관측되어 높은 결정질을 입증하였다(Fig. 1e).

백게이트 측정은 Lakeshore 프로브 스테이션과 Agilent B1500A 분석기로 수행하였으며, 압력 10⁻⁵ mbar, 온도 9-350 K 범위에서 진행하였다. 상온 대기에서 전달 곡선(V_sd = 1 V, Fig. 2a)은 p형 응답을 보였다: 음의 게이트 바이어스에서 턴온, 양의 바이어스에서 턴오프, 온/오프비 6×10³, 서브임계 스윙 350 mV dec⁻¹, 전계효과 이동도 8 cm² V⁻¹ s⁻¹. 다양한 두께(5-85 nm) 소자에서도 유사한 p형 거동 관찰(추가 파일 S1-S3).

출력 특성(Fig. 2b)은 준선형 I-V 곡선으로 대기에서 Au-MoTe₂ 간 쇼트키 장벽이 거의 없음을 시사한다. 온전류는 V_sd에 선형적으로 비례(Fig. 2c)하나, 오프전류도 V_sd와 함께 증가하여 온/오프비가 감소하는데, 이는 흡착 물질에 의한 트랩 상태가 원인이다. 전달 곡선의 히스테리시스도 이러한 트랩 존재를 뒷받침한다(추가 파일 S4).

대기 종의 역할을 분리하기 위해 진공도를 점진적으로 높이며 측정하였다. Fig. 3a에서 진공도 증가에 따라 온전류 감소(흡착 물질 제거로 저항 증가)하고 오프전류 증가하여 전자 수송이 점진적으로 억제됨을 확인하였다. 2.9×10⁻⁵ mbar에서의 출력 곡선(Fig. 3b)은 약간 큰 쇼트키 장벽을 보여 흡착 물질이 유효 장벽 높이를 조절함을 지지한다.

온도 의존적 측정(Fig. 4a)에서 트랜지스터는 20 K까지 p형 유지. 온-오프 전류 모두 온도 하강 시 감소하며 온/오프비는 향상. 아레니우스 플롯(Fig. 4c)은 100 K 이상에서 열적 활성화 영역, 이하에서 터널링 지배 영역을 보여 120 meV 미만의 유효 쇼트키 장벽 높이를 추출하였다(Fig. 4d). 저온에서 흡착 물질 감소에도 불구하고 잔여 종이 여전히 전도도에 영향.

진공에서 350 K로 어닐링(Fig. 5a)하니 전달 곡선이 p형에서 n형으로 전환: 350 K에서 음의 게이트 바이어스에 오프, 양의 바이어스에 온, 온/오프비 3.8×10², 서브임계 스윙 1.1 V dec⁻¹, 이동도 2 cm² V⁻¹ s⁻¹. 실온 진공에서 12시간 보관 후에도 n형 거동 지속(Fig. 6a). 523 K Ar 분위기 추가 어닐링으로 n형 상태 안정성 재확인(추가 파일 S5).

4×4 단일층 슈퍼셀 DFT 계산에서 텔루륨 공공이 전도대 바로 아래 결함 준위를 도입하여 본질적 n형 전도도를 설명함(Fig. 7). 반면 대기 O₂/H₂O 노출 시 MoTe₂에서 산소/물 레독스 쌍으로 전하 이동 발생(Fig. 8), p형 도핑 유도. MoTe₂ 일함수(4.1 eV)가 레독스 쌍(>4.83 eV)보다 낮아 전자 이동과 정공 생성을 촉진.

마지막으로 p형과 n형 트랜지스터로 상보 인버터 조립(Fig. 9a). 8×10⁻⁵ mbar 진공에서 V_DD 5 V로 구동 시 대칭적 전압 전달 특성(V_DD/2 중심, Fig. 9d)과 노이즈 마진(저준위 1.54 V, 고준위 1.77 V) 확보. 전압 이득은 V_DD에 비례하여 5 V에서 9 달성(Fig. 9f). 이는 MoTe₂가 고성능 상보 논리 소자의 활성 채널로 활용 가능함을 입증한다.

결론

요약하면, 대기 안정 p형 다층 MoTe₂ 트랜지스터를 제작하고 진공 어닐링으로 본질적 n형 거동을 발현시켰다. n형 전도도는 텔루륨 공공에 기인함이 DFT로 확인되었다. 대기 중 산소와 물은 레독스 쌍을 통해 전자 수용체 역할을 하여 p형으로 전환시킨다. 두 타입 모두 흡착 물질 존재 시 쇼트키 장벽이 낮아져 고성능을 보인다. 이 이중 타입 트랜지스터를 활용해 전압 이득 9의 상보 인버터를 구현함으로써 MoTe₂의 차세대 저전력 유연 전자소재로서의 가능성을 보였다.

실험 방법

표준 백게이트 구조로 소자 제작. 먼저 300 nm SiO₂/p⁺-Si 웨이퍼에 Cr/Au(5 nm/100 nm) 소스, 드레인, 게이트 전극을 UV 포토리소그래피로 패터닝하고 선택적 SiO₂ 식각. 다층 MoTe₂ 플레이크는 화학 기상 수송법으로 성장한 벌크 결정(TeCl₄, 750-700°C, 3일)에서 기계적 박리로 별도 SiO₂/Si⁺ 기판에 제조. PVA 전이 매체로 패터닝된 전극 위로 플레이크 전이, 물에 용해 후 아이소프로필 알코올로 세척. 소자는 CVD 챔버에서 드라이 펌프로 어닐링. 두께는 AFM(SPA-300HV)으로, 라만 스펙트럼은 LabRAM HR 분광계(514 nm 레이저, 2.2 mW)로 확인. 전기적 특성은 Agilent B1500A 분석기와 Lakeshore 프로브 스테이션으로 측정. DFT 계산은 VASP로 PAW 슈도포텐셜, 400 eV 평면파 컷오프, 12×12×1 k-포인트 샘플링(완화), 24×24×1(전자 구조), GGA-PBE 프레임워크로 수행.

약어

2D:

이차원

2H-MoTe₂:

2H형 이텔루라이드 몰리브덴

AFM:

원자간력 현미경

DFT:

밀도범함수 이론

DOS:

상태 밀도

FET:

전계효과 트랜지스터

GGA:

일반화 기울기 근사

IPA:

아이소프로필 알코올

Isd:

소스-드레인 전류

LED:

발광 다이오드

NM_H:

고준위 노이즈 마진

NM_L:

저준위 노이즈 마진

PAW:

투영자 증강파

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

PVA:

폴리비닐 알코올

SD:

소스-드레인

SS:

서브임계 스윙

TMDs:

전이금속 칼코게나이드

VASP:

Vienna ab initio simulation package

Vbg:

백게이트 전압

Vsd:

소스-드레인 전압

VTC:

전압 전달 특성

ΦSB:

쇼트키 장벽 높이