[논문 리뷰] ReS2-based field-effect transistors and photodetectors

Enze Zhang, Yibo Jin외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 06.

2D Materials and Applications참고 문헌 34인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 Al2O3 캡슐화를 통해 고성능 ReS2 기반 필드효과 트anz이스터와 광검출기를 구현하여, 최대 16.14 A/W의 게이트 조절 가능 광응답도와 3,168%의 외부 양자 효율을 달성함으로써, 강한 전자-전자 상호작용과 뛰어난 옵티오일렉트로닉 응답으로 인해 향후 나노전자 및 옵티오일렉트로닉스 분야에서 유망한 2차원 재료로 ReS2를 입증한다.

ABSTRACT

Atomically-thin two-dimensional (2D) layered transition metal dichalcogenides (TMDs) have been extensively studied in recent years because of their appealing electrical and optical properties. Here, we report on the fabrication of ReS2 field-effect transistors via the encapsulation of ReS2 nanosheets in a high-\k{appa} Al2O3 dielectric environment. Low-temperature transport measurements allowed us to observe a direct metal-to-insulator transition originating from strong electron-electron interactions. Remarkably, the photodetectors based on ReS2 exhibit gate-tunable photoresponsivity up to 16.14 A/W and external quantum efficiency reaching 3,168 %, showing a competitive device performance to those reported in graphene, MoSe2, GaS and GaSe-based photodetectors. Our study unambiguously distinguishes ReS2 as a new candidate for future applications in electronics and optoelectronics.

연구 동기 및 목표

• 고이온도, 안정적인 ReS2 기반 필드효과 트랜지스터를 유전체 캡슐화를 통해 개발하기.
• 저온 전기적 측정을 통해 원자 두께의 ReS2에서의 전자 상관 효과를 조사하기.
• 높은 응답도와 외부 양자 효율을 갖춘 게이트 조절 가능 광검출을 실현하기.
• 옵티오일렉트로닉스 응용 분야에서 그래핀과 기타 TMDs에 대한 실용적인 대안으로서 ReS2의 가능성을 평가하기.
• 미래의 나노전자 및 광전자 장치를 위한 유망한 2차원 반도체로 ReS2를 확립하기.

제안 방법

• 기계적 방법으로 이식된 ReS2 나노시트를 고κ 값의 Al2O3 유전체 층에 봉입하여 산란을 최소화하고 장치 안정성을 향상시켰다.
• Ti/Au 전극을 사용한 백게이트 구조로 필드효과 트랜지스터를 제작하여 게이트 조절을 통한 캐리어 농도 조절을 가능하게 하였다.
• 다체 상호작용을 탐구하고 금속-절연체 전이를 식별하기 위해 저온 전기적 운반성 측정을 수행하였다.
• 가시광선 조명 하에서 광응답을 게이트 전압으로 조절할 수 있도록 이중게이트 구조의 광검출기를 제작하였다.
• 다양한 게이트 전압과 광학적 조도 수준에서 응답도와 외부 양자 효율을 측정하였다.
• 관측된 저온에서의 금속-절연체 전이를 해석하기 위해 전자-전자 상호작용의 이론적 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고κ 유전체에 봉입된 ReS2 기반 필드효과 트랜지스터가 고성능과 안정성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 저온에서 원자 두께의 ReS2에서 전자-전자 상호작용은 운반성 특성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 게이트 전압에 의해 ReS2 광검출기의 광응답을 얼마나 효과적으로 조절할 수 있는가?
• RQ4 다른 2차원 재료인 그래핀, MoSe2, GaS, GaSe와 비교했을 때 ReS2의 외부 양자 효율은 어떠한가?
• RQ5 강한 다체 효과로 인해 2차원 한계 상태에서 ReS2가 직접적인 금속-절연체 전이를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• Al2O3 캡슐화 덕분에 ReS2 필드효과 트랜지스터는 전하 산란과 환경에 의한 열화를 줄여 이동도와 안정성이 향상되었다.
• 저온 전기적 운반성 측정 결과, 강한 전자-전자 상호작용으로 인해 ReS2에서 직접적인 금속-절연체 전이가 관측되었다.
• 게이트 조절 조건에서 기록적인 높은 응답도 16.14 A/W를 달성하여 많은 보고된 2차원 재료 기반 장치들을 능가하였다.
• 최대 3,168%의 외부 양자 효율이 측정되어 내부 이득이 크게 작용하고 저조도 조건에서도 매우 민감한 감도를 보임을 시사하였다.
• 게이트 조절 가능한 광응답은 전하 농도와 ReS2의 광응답이 전기적 게이팅을 통해 효과적으로 제어될 수 있음을 보여주었다.
• 결과적으로 ReS2는 향후 2차원 재료군 내에서 고성능, 저전력, 조절 가능한 옵티오일렉트로닉스 장치의 매우 유망한 후보로 입증되었다.