Molybdenum disulfide ($MoS_2$), a member of the transition metal dichalcogenide family, is a promising channel material for highly integrated scalable transistors. However, intrinsic donor defect states, such as sulfur vacancies ($V_s$) can degrade the properties of the channel and lead to undesired n-doping. In this study, we propose a method for healing donor defect states in monolayer $MoS_2$ using oxygen plasma in the presence of an aluminum oxide ($Al_2O_3$) barrier layer to protect the $MoS_2$ channel from damage by plasma treatment. The successful healing of donor defect states in $MoS_2$ by oxygen atoms, even in the presence of an $Al_2O_3$ barrier layer, was confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy, photoluminescence, and Raman spectroscopy. Furthermore, despite the decrease in carrier concentration of 3.82 x $10^{12}$ $cm^{-2}$, the proposed approach exhibits an 18% current and 44% mobility increase under optimal conditions. In addition, the metal-insulator transition phenomenon occurs at electron concentrations of 5.7 x $10^{12}$ $cm^{-2}$ and reflects improved channel quality. Finally, a reduced activation energy ($E_a$) was observed in all gate voltage ($V_G$) regions owing to a decrease in $V_s$ acting as a localized state after oxygen plasma treatment. Our study demonstrates the feasibility of utilizing a plasma process to heal defects in two-dimensional materials and enhance their electrical properties, thereby paving the way for the development of next-generation electronic devices.
전이 금속 디칼코게나이드 계열의 구성원인 이황화 몰리브덴($MoS_2$)은 고도로 통합된 확장 가능한 트랜지스터를 위한 유망한 채널 재료입니다. 그러나 황 공석($V_s$)과 같은 본질적인 도너 결함 상태는 채널의 특성을 저하시키고 원하지 않는 n-도핑을 유발할 수 있습니다. 본 연구에서는 플라즈마 처리에 의한 손상으로부터 $MoS_2$ 채널을 보호하기 위해 산화알루미늄($Al_2O_3$) 보호층이 있는 상태에서 산소 플라즈마를 사용하여 단일층 $MoS_2$에서 전자 공여체 결함 상태를 치유하는 방법을 제안합니다. $Al_2O_3$ 보호층이 존재하는 경우에도 산소 원자에 의한 $MoS_2$의 전자 공여체 결함 상태의 성공적인 치유는 X선 광전자 분광법, 광발광 및 라만 분광법으로 확인되었습니다. 또한, 3.82 x $10^{12}$ cm$^{-2}$의 캐리어 농도 감소에도 불구하고 제안된 접근 방식은 최적의 조건에서 18% 전류 및 44% 이동도 증가를 나타냅니다. 또한 금속-절연체 전이 현상은 5.7 x $10^{12}$ cm$^{-2}$의 전자 농도에서 발생하며 향상된 채널 품질을 반영합니다. 마지막으로, 산소 플라즈마 처리 후 국소화된 상태로 작용하는 $V_s$의 감소로 인해 모든 게이트 전압($V_G$) 영역에서 감소된 활성화 에너지($E_a$)가 관찰되었습니다. 우리의 연구는 플라즈마 공정을 활용하여 2차원 재료의 결함을 치유하고 전기적 특성을 향상시켜 차세대 전자 장치 개발을 위한 길을 열 수 있음을 보여줍니다.
