[논문 리뷰] Sputtered 2D transition metal dichalcogenides: from growth to device applications

Merve Acar, Emre Gür|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 15.

2D Materials and Applications참고 문헌 81인용 수 15

한 줄 요약

이 리뷰는 MoS₂ 및 WS₂와 같은 대면적 연속성 2차원 전이금속디 chalcogenide(TMDC)를 성장시키는 데 있어 스퍼터링이 CVD 및 기계적 에클루전과 같은 전통적 방법에 비해 확장 가능하고 신뢰할 수 있는 방법임을 평가한다. 스퍼터링을 통해 성장된 TMDC는 필드효과 트랜지스터(FET)에서 양호한 장치 성능(이동도 ~10–20 cm²/V·s, Ion/Ioff ~10²–10⁷)과 광검출기에서 높은 감도(감도 최대 1.4 × 10¹⁴ Jones)를 나타내어 향후 나노전자 및 옵티오전자 분야의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Starting from graphene, 2D layered materials family has been recently set up more than 100 different materials with variety of different class of materials such as semiconductors, metals, semimetals, superconductors. Among these materials, 2D semiconductors have found especial importance in the state of the art device applications compared to that of the current conventional devices such as (which material based for example Si based) field effect transistors (FETs) and photodetectors during the last two decades. This high potential in solid state devices is mostly revealed by the transition metal dichalcogenides (TMDCs) semiconductor materials such as MoS2 , WS2 , MoSe2 and WSe2 . Therefore, many different methods and approaches have been developed to grow or obtain so far in order to make use them in solid state devices, which is a great challenge in large area applications. Although there are intensively studied methods such as chemical vapor deposition (CVD), mechanical exfoliation, atomic layer deposition, it is sputtering getting attention day by day due to the simplicity of the growth method together with its reliability, large area growth possibility and repeatability. In this review article, we provide benefits and disadvantages of all the growth methods when growing TMDC materials, then focusing on the sputtering TMDC growth strategies performed. In addition, TMDCs for the FETs and photodetector devices grown by RFMS have been surveyed.

연구 동기 및 목표

• 스퍼터링이 2D TMDC 성장에 있어 CVD 및 에클루전과의 대체 가능성을 평가하기 위해
• 스퍼터링된 TMDC 기반 필드효과 트랜지스터(FET) 및 광검출기의 성능을 분석하기 위해
• 스퍼터링된 TMDC 필름의 결정 품질과 스토이히오메트리 향상을 위한 성장 전략을 규명하기 위해
• 스퍼터링된 2D TMDC의 산업적 잠재력이 대규모 전자 및 옵티오전자 응용 분야에 있어 어떻게 평가될 수 있는지 분석하기 위해

제안 방법

• 스퍼터링을 Si/SiO₂ 기판 상에서 연속적이고 대면적 2D TMDC 필름을 성장시키는 주요 증착 기법으로 사용한다.
• 필름의 균일성과 결정성을 향상시키기 위해 이중단계 스퍼터링 공정을 적용하며, 아르곤 분雰위에서 후열처리를 실시한다.
• RF 마그네톤 스퍼터링을 사용하여 두께와 스토이히오메트리가 제어된 MoS₂ 및 WS₂ 필름을 증착한다.
• 장치 제작은 표준 리소그래피 및 열증착을 통해 스퍼터링된 TMDC 채널에 소스/드레인 전극을 형성한다.
• 전기적 특성 분석은 이동도, 온/오프 비율, 게이트 조절 거동을 추출하기 위해 전송 및 출력 특성 측정을 포함한다.
• 광검출기 성능 평가는 다양한 빛의 파장과 전압 조건에서의 반응도, 감도, 상승/하강 시간을 측정하여 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스퍼터링은 장치 응용에 적합한 충분한 결정성을 갖춘 연속적이고 대면적 2D TMDC 필름을 생성할 수 있는가?
• RQ2 스퍼터링된 TMDC FET의 성능은 이동도 및 온/오프 비율 측면에서 CVD나 에클루전 방식으로 제작된 장치와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 이중단계 공정, 후열처리 등의 스퍼터링 전략이 스퍼터링된 TMDC의 품질과 장치 성능 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 스퍼터링된 TMDC의 광검출 능력은 반응도, 감도 및 반응 속도 측면에서 어떻게 평가되는가?
• RQ5 스퍼터링된 TMDC는 향후 세대 옵티오전자 시스템을 위한 도핑 가능하고 확장 가능한 광검출기 구현에 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 스퍼터링된 MoS₂ FET는 전자 이동도가 각각 2.2 및 5.1 cm²/V·s이며, 온/오프 비율은 10²에서 10⁷ 사이로 변동한다.
• 동일한 기판 상에서 제작된 WS₂ FET는 다수의 장치에서 일관된 성능을 보이며, 공정의 재현성을 확인한다.
• 직접 스퍼터링과 800 °C 열처리를 통해 형성된 MoS₂/Si 이종접합 광검출기는 감도 1.45 × 10¹⁰ Jones를 달성하였으며, Pd-MoS₂/n-Si 구조에서는 높은 감도 1.0 × 10¹⁴ Jones를 보고하였다.
• 전자선 조사에 의해 형성된 폴리이미드 기판 상의 WS₂ 필름은 반응도 최대 53.3 A/W, 감도 1.22 × 10¹¹ Jones를 기록하였다.
• 스퍼터링된 TMDC 광검출기는 반응 시간이 마이크로초 범위에 머무르나, 하강 시간은 종종 길어 회복에 제약이 있음을 나타낸다.
• 스퍼터링된 TMDC 광검출기에서 보고된 최고 감도는 1.4 × 10¹⁴ Jones에 도달하여 고품질 CVD 및 에클루전 대비 경쟁 가능한 성능을 보였다.