[논문 리뷰] Bandgap and doping effects in MoS2 measured by Scanning Tunneling Microscopy and Spectroscopy

Chih-Pin Lu, Guohong Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 09.

Semiconductor materials and interfaces참고 문헌 1인용 수 201

한 줄 요약

이 연구는 게이팅된 스캐닝 턨널링 현미경 및 스펙트로스코피(STS)를 사용하여 MoS2의 금역과 패피 레벨(EF)을 측정하며, 부직 MoS2는 약 1.3 eV의 금역을 가지며 황화물 결함으로 인해 n형 도핑됨을 밝혀내고, SiO2 상에 있는 얇은 필름은 인터페이스 전하 트랩으로 인해 더 강한 n형 도핑을 보임을 밝혀냄. 이 결과들은 2차원 반도체 장치 설계에 핵심적인 도핑 기원을 명확히 함.

ABSTRACT

The discovery of graphene has put the spotlight on other layered materials including transition metal dichalcogenites (TMD) as building blocks for novel heterostructures assembled from stacked atomic layers. Molybdenum disulfide, MoS2, a semiconductor in the TMD family, with its remarkable thermal and chemical stability and high mobility, has emerged as a promising candidate for post-silicon applications such as switching, photonics, and flexible electronics. Since these rely on controlling the position of the Fermi energy (EF), it is crucial to understand its dependence on doping and gating. Here we employed scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) with gating capabilities to measure the bandgap and the position of EF in MoS2, and to track its evolution with gate voltage. For bulk samples, the measured bandgap (~1.3eV) is comparable to the value obtained by photoluminescence, and the position of EF (~0.35eV) below the conduction band, is consistent with n-doping reported in this material. Using topography together with spectroscopy we traced the source of the n-doping in bulk MoS2 samples to point defects, which we attribute to S vacancies. In contrast, for thin films deposited on SiO2, we found significantly higher levels of n-doping that cannot be attributed to S vacancies. By combining gated STS with transport measurements in a field effect transistor (FET) configuration, we demonstrate that the higher levels of n-doping in thin film samples is due to charge traps at the sample-substrate interface.

연구 동기 및 목표

• 후실리콘 전자기기용 핵심 2차원 반도체인 MoS2에서 n형 도핑 기원을 이해하기 위해.
• 스캐닝 터널링 현미경 및 스펙트로스코피(STS)를 사용하여 원자 스케일 해상도로 MoS2의 금역과 패피 레벨(EF)을 측정하기 위해.
• 다양한 형태의 MoS2에서 도핑 기원으로서 내재 결함과 외재적 인터페이스 효과를 구분하기 위해.
• STS 측정 결과를 필드효과 트랜지스터(FET) 전도도 데이터와 연계하여 도핑 메커니즘을 검증하기 위해.

제안 방법

• 전기적 게이팅을 적용한 스캐닝 터널링 현미경(STM) 및 스펙트로스코피(STS)를 사용하여 MoS2의 국소 전자 구조를 맵핑함.
• 표면형상 영상과 STS를 융합하여 원자 스케일 결함, 특히 황화물 결함를 식별함.
• 게이팅된 STS를 통해 게이트 전압에 따른 패피 레벨(EF) 변화를 측정하여 밴드 정렬과 도핑 수준을 결정함.
• 부직 MoS2와 SiO2 기판 위에 에폭시된 얇은 필름을 대조하여 측정 수행함.
• STS 결과를 검증하기 위해 필드효과 트랜지스터(FET) 구조에서의 전도도 측정을 수행함.
• 관측된 EF 이동을 도핑 메커니즘과 연계한 이론적 해석을 통해 결함 유도 도핑과 인터페이스 트랩 유도 도핑을 구분함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 국소 탐침 기술로 측정한 부직 MoS2의 본질적 금역은 얼마인가요?
• RQ2 부직 MoS2에서 관측된 n형 도핑의 원인은 무엇이며, 특정 원자 결함로 기인할 수 있나요?
• RQ3 왜 SiO2 상에 있는 얇은 필름 MoS2 샘플은 부직 샘플보다 현저히 높은 n형 도핑 수준을 보이나요?
• RQ4 MoS2/SiO2 인터페이스의 인터페이스 전하 트랩이 2차원 필름에서 강화된 도핑을 유발하는가요?
• RQ5 게이트 전압 의존성 STS 측정 결과는 MoS2의 거시적 FET 전도도 거동과 어떻게 관련이 있나요?

주요 결과

• 부직 MoS2의 금역은 약 ~1.3 eV로 측정되었으며, 광발광 데이터와 일치함.
• 부직 MoS2의 패피 레벨은 도체 밴드보다 약 0.35 eV 아래에 위치하여 내재적 n형 도핑을 나타냄.
• 표면형상 및 스펙트로스코픽 분석을 통합하여 황화물 결함가 부직 MoS2에서 n형 도핑의 주요 원인으로 규명됨.
• SiO2 상에 있는 얇은 필름은 부직 샘플보다 현저히 높은 n형 도핑 수준을 보이며, 이는 황화물 결함로는 설명될 수 없음.
• 게이팅된 STS와 FET 전도도 측정 결과를 종합적으로 분석하여 MoS2/SiO2 인터페이스의 인터페이스 전하 트랩이 2차원 필름에서 강화된 도핑의 원인임을 입증함.
• 이 연구는 인터페이스 결함과 전자적 성질 간의 직접적 연관성을 확립하며, 장치 공학에 있어 핵심적임.