[논문 리뷰] Spatially Resolved Photo-Excited Charge Carrier Dynamics in Phase-Engineered Monolayer MoS2

Hisato Yamaguchi, Jean‐Christophe Blancon외 10명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 17.

2D Materials and Applications참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 공간 해상도가 높은 스캐닝 광전류 현미경 및 형광 영상 촬영을 이용해 단일계면 MoS2에서 광자 자극을 받은 전하 운반자 동역학을 단층 구조의 상 공학적 제어를 통해 조사한다. 연구에서는 2H상(반금속성)에서 1T상(금속성)으로의 전환으로 인해 슈트키 터널링 장벽 높이가 약 200 meV에서 몇 meV로 감소하여 광응답도 10배 이상 향상됨을 입증한다. 이는 옴스-유사 접촉을 갖는 저전력, 고효율 광전자 소자 개발을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A fundamental understanding of the intrinsic optoelectronic properties of atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDs) is crucial for its integration into high performance semiconductor devices. Here, we investigate the transport properties of chemical vapor deposition (CVD) grown monolayer molybdenum disulfide (MoS2) under photo-excitation using correlated scanning photocurrent microscopy and photoluminescence imaging. We examined the effect of local phase transformation underneath the metal electrodes on the generation of photocurrent across the channel length with diffraction-limited spatial resolution. While maximum photocurrent generation occurs at the Schottky contacts of semiconducting (2H-phase) MoS2, after the metallic phase transformation (1T-phase), the photocurrent peak is observed towards the center of the device channel, suggesting a strong reduction of native Schottky barriers. Analysis using the bias and position dependence of the photocurrent indicates that the Schottky barrier heights are few meV for 1T- and ~200 meV for 2H-contacted devices. We also demonstrate that a reduction of native Schottky barriers in a 1T device enhances the photo responsivity by more than one order of magnitude, a crucial parameter in achieving high performance optoelectronic devices. The obtained results pave a pathway for the fundamental understanding of intrinsic optoelectronic properties of atomically thin TMDs where Ohmic contacts are necessary for achieving high efficiency devices with low power consumption.

연구 동기 및 목표

• 원자 두께의 전이 금속 디 chalcogenide(TMDs)의 내재된 광전자적 성질, 특히 단일계면 MoS2의 이해를 위한 것.
• 특히 2H상에서 1T상으로의 상 공학적 전환에 의해 광자 자극 조건에서 전하 운반자 동역학이 어떻게 영향을 받는지 조사하기 위한 것.
• 메탈 접촉부에서의 슈트키 장벽 높이의 공간 분포 및 크기를 규명하기 위한 것.
• 감소된 슈트키 장벽이 광응답도 및 장치 성능에 미치는 영향 평가하기 위한 것.
• 저전력, 고효율 응용을 위한 2차원 TMD 기반 광전자 소자에서 옴스 접촉을 달성하는 길을 마련하기 위한 것.

제안 방법

• CVD법으로 증착한 단일계면 MoS2 소자의 채널을 따라 광전류 생성을 맵핑하기 위해 분해능이 회절 한계에 도달하는 스캐닝 광전류 현미경을 사용하였다.
• 광학적 방출과 국소 전자 구조 및 상 분포 간의 상관관계를 분석하기 위해 형광 영상 촬영 기법을 적용하였다.
• 국소적으로 2H상 MoS2를 1T상으로 전환시키는 상 공학 기법을 적용하여 전자적 성질이 다른 영역을 생성하였다.
• 위치 및 편압 의존성 광전류 측정 결과를 분석하여 메탈 접촉부의 슈트키 장벽 높이를 추출하였다.
• 전도성인 2H상(반도체성)과 금속성인 1T상(금속성) MoS2 소자 간의 비교 분석을 수행하여 전하 이동성 및 광응답의 차이를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일계면 MoS2의 국소 상 상태(2H상 대비 1T상)가 광자로 생성된 전하 운반자의 공간 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 2H상 및 1T상 MoS2 소자에서 메탈 접촉부의 슈트키 장벽 높이는 각각 얼마인가?
• RQ3 상 공학이 소자 채널을 따라 광전류 생성 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 슈트키 장벽을 감소시킴으로써 2차원 TMD 기반 소자에서 광응답도가 얼마나 향상되는가?
• RQ5 상 공학적 1T-MoS2는 향상된 광전자 성능을 위한 근접 옴스 접촉 거동을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 1T상 MoS2에서는 슈트키 장벽 높이가 2H상 MoS2의 약 200 meV에서 몇 meV로 감소하여, 주입 장벽의 급격한 감소를 시사한다.
• 2H상 MoS2에서는 광전류 생성이 슈트키 접촉 영역에서 발생하지만, 1T상 MoS2에서는 채널의 중심부로 이동함으로써 슈트키 장벽 억제가 확인되었다.
• 1T상 MoS2 소자의 광응답도는 2H상 소자 대비 10배 이상 향상되었다.
• 공간 해상도가 높은 측정 결과는 1T상 전환이 국소적으로 슈트키 장벽을 억제하여 더 효율적인 전하 추출을 가능하게 함을 확인하였다.
• 결과적으로 상 공학적 1T-MoS2가 2차원 반도체 소자에서 저저항, 옴스-유사 접촉을 실현하기 위한 실현 가능한 플랫폼이 될 수 있음을 입증하였다.