Electrical Properties of MoS2 Field-Effect Transistors Treated with Organic Thiol Molecules

Abstract

Two-dimensional (2D) materials, such as graphene and transition metal dichalcogenides (TMDs), has been widely gained much attention due to their novel features. Because graphene has no electric bandgap which is generally required to be used as a semiconductor, TMDs have been proposed as the promising 2D-layered materials for future device applications. Among these TMDs, molybdenum disulfide (MoS2) has been widely studied due to its direct bandgap of 1.9 eV as a single layer and indirect bandgap of 1.3 eV as a bulk crystal. Hence, numerous studies have been conducted to explore the applications of MoS2. However, due to the 2D nature of MoS2, interfaces of MoS2-based devices can heavily influence the electrical and optical properties of MoS2. Therefore, understanding how interfaces affect the characteristics of MoS2 and various interface engineering strategies are demanded for the emerging nano-electronic devices.

In this regards, first, I investigated the electrical properties of MoS2 field-effect transistors (FETs) influenced by environment. The MoS2 devices were fabricated using the electron-beam lithography method. Then, the electrical properties of the devices were characterized under various measurement conditions, such as varying gate bias stress time, gate sweep rate, gate sweep range, and environment. I observed a certain gate bias stress instability behaviors and interpreted them by field-induced adsorptions of oxygen molecules or water molecules originated from gate-bias stress effect. Hence, the gate bias stress effect was not observed in vacuum condition.

Secondly, I conducted a research on the electrical and optical properties of MoS2 FETs with thiol molecule treatment. Organic thiol molecules tend to latch on the sulfur vacancies on the surface of the MoS2. After thiol molecule treatment, the current level and carrier concentration were dramatically decreased, even though subthreshold swing (SS) value of the device, which is related to the surface defects, was not considerably changed. This phenomena is ascribed to reduction in the concentration of sulfur vacancies by the thiol molecule treatment.

Finally, I proposed a new approach for modifying charge injection properties of MoS2 FETs. I inserted thiol molecules between metal electrodes and MoS2 channel to reduce the charge injection barrier and remove interfacial states which cause Fermi level pinning. The charge injection properties of thiol inserted MoS2 FETs showed an ohmic-like behavior even at the low temperature (~80 K), whereas those of untreated MoS2 FETs showed Shottky-like behavior even at the room temperature (~300 K). Fabrication of asymmetric MoS2 devices was also feasible by employing this strategy to only one contact.

그래핀이나 전이 금속 칼코겐 화합물 물질들은 새로운 특징들 덕분에 많은 주목을 받아 왔다. 그래핀의 경우 반도체 소자로서 이용하기 위한 전기적 밴드갭이 존재하지 않기 때문에, 전이 금속 칼코겐 화합물들이 차세대 소자로서 활용 가능한 이차원 적층 구조를 갖는 물질로서 많은 주목을 받고 있다. 이러한 전이 금속 칼코겐 화합물 중에서도 이황화 몰리브덴은 단분자층 일 때 1.9 eV, 다분자층 일 때 1.3 eV의 밴드갭을 가지고 있기 때문에, 큰 관심을 받게 되었다. 이러한 이유로, 많은 연구자들이 이황화 몰리브덴을 새로운 소자의 재료로서 활용하기 위해 활발한 연구를 진행해 오고 있다. 하지만, 이황화 몰리브덴의 2차원 구조적 특성 때문에 표면에서부터 전기적 특성과 광학적 특성이 큰 영향을 받게 된다. 즉, 차세대 나노 전자 소자 구현에 있어서 표면이 어떻게 이황화 몰리브덴의 특성에 어떻게 영향을 미치는지, 어떤 다양한 표면 처리 방법으로 물성을 변화 시킬 수 있는지에 대한 연구가 필요한 실정이다.

이러한 측면에서, 본 학위논문에서 첫 번째로 이황화 몰리브덴 전계 효과 트랜지스터의 전기적 특성이 환경으로부터 받는 영향을 논하고자 한다. 게이트에 스트레스를 인가하는 시간의 변화, 게이트 전압의 변화 속도나 게이트 전압을 변화 시키는 범위의 변화 등, 여러 가지 측정 조건이 소자의 전기적 특성에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구를 진행 하였다. 전하농도를 비롯하여, 소자의 임계 전압 값이 게이트 스트레스가 가해 졌을 때 변화 하는 것을 확인 하였다. 양의 게이트 스트레스를 인가 하였을 때, 소자의 임계 전압이 양수 쪽으로 변화 하였고, 그 반대의 경우 역시 마찬가지였다. 이러한 효과는 게이트에서 발생하는 전기장에 의해 공기 중의 산소나 수분이 표면에 흡착 됨으로써 나타난다는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.

두 번째로, 유기 싸이올 분자를 이황화 몰리브덴 소자에 처리하였을 때의 전기적, 광학적 특성 변화에 대해서 기술하고자 한다. 유기 싸이올 분자들은 이황화 몰리브덴 표면에 존재하는 황 공석 자리에 화학적 결합을 하고자 하는 경향이 보고 된 바 있다. 싸이올 처리를 한 후, 물질의 결함과 관련이 있는 소자의 문턱 전압 이하 스윙 값은 큰 변화가 없었음에도 불구하고, 전류 값과 전하농도는 크게 감소 한 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 싸이올 분자가 황 공석 수를 줄임으로써 나타나는 현상이라고 사료된다.

마지막으로, 금속 전극과 이황화 몰리브덴의 접합부에 싸이올 분자 처리를 통해 전하 주입 특성을 비롯한 접합 특성을 향상시키는 연구에 대해 논의 하고자 한다. 금속과의 접합부에만 싸이올 분자를 끼워 넣게 되면, 페르미 레벨의 고정을 야기하는 기존에 존재하던 계면의 결함들을 없애는 동시에 전하 주입 장벽을 줄일 수 있다는 것을 확인 하였다. 소자의 활성 전위가 낮아지고, 상온에서조차 쇼트키 접합 특성을 보이던 소자가, 저온에 이르기까지 오믹 접합 특성을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 방법을 사용하여, 비 대칭적인 접합 특성을 갖는 소자의 제작 또한 구현이 가능함을 확인하였다.