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단층 MoS2 성장 최적화와 플라즈마 처리의 전기적 특성에 대한 영향

Growth Optimization of Monolayer MoS2 and Effects of Plasma Treatment on Electrical Characteristics

  • 정호연 (아주대학교 일반대학원)

초록/요약

2차원 소재는 원자 수준의 두께와 우수한 물리적 특성으로 인해 차세대 전자소자 및 광전자소자 응용을 위한 핵심 소재로 주목받고 있다. 그 중 대표적인 물질인 그래핀은 높은 전자 이동도와 우수한 기계적 강 도, 뛰어난 열전도 및 유연성의 특성을 지닌 대표적인 2차원 소재로 다 양한 연구가 이루어져왔다. 그러나, 순수한 그래핀은 밴드갭이 존재하지 않는다는 점을 고려해 그래핀에 밴드갭을 도입하기 위해 다양한 공정들 이 제안되어 왔으나, 이는 공정의 복잡성을 증가시키고, 소자 응용 과정 에서 이동도 감소 또는 고전압 구동과 같은 문제점을 동반하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로, 오늘날 자동차 엔진용 고성능 윤활제로도 사용되는 전이금속 칼코게나이드(TMD) 계열 의 이황화몰리브덴(MoS2)이 차세대 2차원 반도체 소재로 주목받고 있다. MoS2는 그래핀과 같이 2차원 반도체 물질로, 다층에서는 1.2eV의 간접 밴드갭을, 단일층에서는 약 1.8eV의 직접 밴드갭을 가지는 특징을 갖고 있는데, 단층 MoS2의 직접 밴드갭 특성은 효율적인 전하 재결합 을 가능하게 하여 우수한 광 흡수 및 발광 특성을 제공하며, 이는 광전 자 소자 응용에 있어 중요한 장점으로 작용하여, 여러 응용 기술 연구가 이루어지고 있다.[1] 본 연구에서는 단층 MoS2 성장, 성장된 MoS2를 바탕으로 전계효과 트랜지스터를 제작하여 향후 다양한 분야로 응용에 기반이 될 MoS2의 물성을 연구하였다. MoS2의 성장은 기본적으로 Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition(APCVD)을 통해 진행하였고, 단층 및 고품 질의 MoS2를 성장시키기 위해 두 가지 CVD 방법을 이용하여 합성된 MoS2가 어떤 양상으로 성장하는지 관찰하고 최적화하기 위한 연구를 진행하였다. 추가적으로 플라즈마 처리에 따라 변화하는 MoS2의 물성을 확인하 였다. 플라즈마 클리너 장비를 통해 산소(𝑂2) 플라즈마 처리를 진행하여, 변화하는 MoS2의 여러 특징들을 확인하였다. 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscopy)을 사용해 표면 변화를 관찰하고, 라만 분광기 (Raman spectroscopy)를 이용하여 광학적 특성 및 격자구조의 변화를, 전류-전압 특성을 이용하여 전기적 특성 변화를 파악하여, 산소 플라즈 마 처리 후 n-type doping이 유발되는 것을 확인하였다. 본연구는 단층 MoS2 성장 최적화를 도모하고, 플라즈마 처리가 물성 과 전기적 특성에 미치는 변화를 분석하여, 차세대 소자 응용 가능성을 제시하고자 한다.

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목차

제 1 장. 서 론 1
제 2 장. 기초 이론 2
2.1. MoS2의 격자 구조 2
2.2. MoS2의 특성 4
2.3. MoS2의 합성 방법 7
2.3.1. 기계적 박리법 7
2.3.2. 화학적 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition) 9
2.4. 플라즈마(Plasma) 10
2.5. 원자 힘 현미경(AFM, Atomic Force Microscopy) 11
2.6. 라만 분광법(Raman spectroscopy) 13
제 3 장. 실험 방법 16
3.1. MoS2의 두 가지 합성 방법 16
3.2. MoS2 소자 제작 23
제 4 장. 실험 결과 및 분석 27
4.1. MoS2 합성 조건 설정 27
4.1.1. 합성 조건 설정 및 측정 27
4.1.2. 첫 번째 방법을 통한 MoS2 합성 27
4.1.3. 두 번째 방법을 통한 MoS2 합성 34
4.2. MoS2의 전기적 특성과 플라즈마 처리에 의한 물성 변화 39
제 5 장. 결론 46
참 고 문 헌 49
영 문 요 약 53

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