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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 안봉영, 임현균
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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이차원 전이금속 디칼코게나이드(TMDCs)는 한층 두께가 1 nm 이하로 매우 얇으며, 투과도와 기계적 강도, 전기적 특성 또한 우수한 성능을 보여주고 있어 실리콘 반도체를 대체할 차세대 물질로서 각광받고 연구되어 왔다. 또한, 이러한 특성을 이용해 전계 효과 트랜지스터에 채널층으로 적용했을 때, 매우 높은 이동도와 점멸비 특성을 나타내었고, 이를 이용한 광소자 또한 우수한 성능을 보여주고 있다.
TMDC는 층과 층사이에 반데르발스 결합을 이루고 있어 상대적으로 박리가 잘되는 특징을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용해 초기에는 기계적 박리법을 통한 소자화 연구가 이루어졌고 현재까지도 활발히 진행되고 있다. 기계적 박리법은 고품질의 TMDC 나노 시트를 얻을 수 있는 장점이 있지만 상용화를 위한 대면적 제조에는 적용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 크래커(Cracker)를 이용한 TMDC의 대면적 성장 방법과 이를 실제 전계 효과 트랜지스터에 적용하는 연구를 중점적으로 수행하였다.
본 연구에서는 크래커를 이용하여 금속 전구체를 황화 또는 셀렌화하여 TMDC 박막을 성장시켰다. 크래커는 덩어리져 기화된 칼코겐 큰 분자를 높은 열에너지를 주어 단위체 또는 이합체 상태로 분해한다. 이렇게 분해된 칼코겐은 높은 반응성을 띄고 있어, 금속 전구체와 쉽게 반응해 낮은 온도에서 고품질의 TMDC 박막이 성장될 수 있도록 도와준다. 이 방법을 통해 일반적인 CVD 방법에 비해 상대적으로 낮은 온도인 600 ℃에서 WSe2 박막을 성장시킬 수 있었고, 4 인치 크기의 웨이퍼에서 또한 균일하게 성장됨을 확인했다. 또한, WSe2 박막을 채널층으로 이용하여 전계 효과 트랜지스터로 제작했을 때 p-type의 특성의 전계 효과 트랜지스터로서 동작함을 확인하였다.
TMDC 박막의 소자 응용화를 위한 p-n 이종 접합 구조 박막 성장도 진행하였다. 크래커를 통해 MoSe2/WSe2의 이종 접합 구조의 박막을 성장시킬 수 있었고, 이 박막의 독특하게 배열되는 특성 또한 규명하고자 연구를 수행하였다. 또한 도핑을 통해 캐리어의 성질을 조절할 수 있음을 확인했다. p-type의 WSe2 박막을 도핑을 통해 n-type으로 변환할 수 있었다. 이러한 이종 접합 구조와 도핑을 통한 캐리어 조절을 통해 논리 소자 혹은 pn 다이오드 등 다양한 소자에 응용 가능할 것으로 보인다.
본 연구에서 사용된 Cracker 방법을 통해 대면적의 WSe2 박막을 성장할 수 있었고, 이를 Hall 이동도 측정과 전계 효과 트랜지스터에 적용을 통해 p-type의 성질을 가짐을 확인하였다. 향후 본 연구가 실제 TMDCs 박막의 소자 응용 및 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.
TMDC는 층과 층사이에 반데르발스 결합을 이루고 있어 상대적으로 박리가 잘되는 특징을 가지고 있다. 이러한 특성을 이용해 초기에는 기계적 박리법을 통한 소자화 연구가 이루어졌고 현재까지도 활발히 진행되고 있다. 기계적 박리법은 고품질의 TMDC 나노 시트를 얻을 수 있는 장점이 있지만 상용화를 위한 대면적 제조에는 적용할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 크래커(Cracker)를 이용한 TMDC의 대면적 성장 방법과 이를 실제 전계 효과 트랜지스터에 적용하는 연구를 중점적으로 수행하였다.
본 연구에서는 크래커를 이용하여 금속 전구체를 황화 또는 셀렌화하여 TMDC 박막을 성장시켰다. 크래커는 덩어리져 기화된 칼코겐 큰 분자를 높은 열에너지를 주어 단위체 또는 이합체 상태로 분해한다. 이렇게 분해된 칼코겐은 높은 반응성을 띄고 있어, 금속 전구체와 쉽게 반응해 낮은 온도에서 고품질의 TMDC 박막이 성장될 수 있도록 도와준다. 이 방법을 통해 일반적인 CVD 방법에 비해 상대적으로 낮은 온도인 600 ℃에서 WSe2 박막을 성장시킬 수 있었고, 4 인치 크기의 웨이퍼에서 또한 균일하게 성장됨을 확인했다. 또한, WSe2 박막을 채널층으로 이용하여 전계 효과 트랜지스터로 제작했을 때 p-type의 특성의 전계 효과 트랜지스터로서 동작함을 확인하였다.
TMDC 박막의 소자 응용화를 위한 p-n 이종 접합 구조 박막 성장도 진행하였다. 크래커를 통해 MoSe2/WSe2의 이종 접합 구조의 박막을 성장시킬 수 있었고, 이 박막의 독특하게 배열되는 특성 또한 규명하고자 연구를 수행하였다. 또한 도핑을 통해 캐리어의 성질을 조절할 수 있음을 확인했다. p-type의 WSe2 박막을 도핑을 통해 n-type으로 변환할 수 있었다. 이러한 이종 접합 구조와 도핑을 통한 캐리어 조절을 통해 논리 소자 혹은 pn 다이오드 등 다양한 소자에 응용 가능할 것으로 보인다.
본 연구에서 사용된 Cracker 방법을 통해 대면적의 WSe2 박막을 성장할 수 있었고, 이를 Hall 이동도 측정과 전계 효과 트랜지스터에 적용을 통해 p-type의 성질을 가짐을 확인하였다. 향후 본 연구가 실제 TMDCs 박막의 소자 응용 및 상용화에 크게 기여할 것으로 기대한다.
목차
1. 서론1.1 연구배경1.2. 이론적 배경1.2.1 2D TMDCs와 그 특성1.2.2 2D 물질의 제조방법1.2.3. 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)1.3 연구 목적2. 크래커(Cracker)를 이용한 박막의 대면적 성장2.1 연구 배경 및 목적2.2 실험 방법2.3 연구 결과 및 토의2.3.1 크래커를 이용한 WSe2와 WS2의 대면적 성장2.3.2 크래커를 이용한 WSxSe2-x 박막 성장2.3.3 산소 플라즈마 처리를 통한 대면적 WSe2 박막 성장2.3.4 TMDC의 이종 접합 구조 성장 및 결정 방향 조절3. 대면적 성장 박막의 소자 응용3.1. 연구 배경 및 목적3.1 실험 방법3.3 연구 결과 및 토의3.3.1 WSe2 FET3.3.2 접촉 저항(Contact Resistance)3.3.3 도핑(doping) 효과3. 결론 및 고찰ReferenceList of presentation
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