Transition metal chalcogen compounds have high transparency, flexibility, and excellent electrical properties. Among them, molybdenum disulfide(MoS2) is widely used as an n-type semiconductor material. In the case of MoS2, it has a relatively high on-off current ratio, high mobility, and excellent flexibility. Especially, thanks to its atomically thin nature, it is highly immune to short channel effect which makes it as a promising channel material for next-generation logic transistor. However, there are still many problems to be solved for molybdenum disulfide to replace conventional silicon-based transistors. It shows significantly lower mobility characteristics than its electrical potential because of its doping issues, contact resistance, and interface characteristics with an insulating layer and a substrate. Particularly because 2D materials have incongruity with a conventional ALD process due to their dangling bond free surface, 2D materials based transistors generally show inferior interface quality when they are applied in the form of top gate transistor. In that the poor interfacial property is one of the major factors for deterioration of mobility and switching property of 2D devices, further engineering of the interface quality between 2d channel material and top gate insulator is essential for 2d materials to successfully be implemented in high-performance 2d-logic transistors.
In this study, by applying a recently developed iCVD-based high-k hybrid dielectric as a top gate insulating film of monolayer MoS2 channel material, high performance top gate monolayer MoS2 transistor with mobility of 13.6cm2/Vs, SS of 135mV/dec and low hysteresis(<100mV) value is developed. Furthermore, the excellent interfacial property of the hybrid dielectric film with monolayer MoS¬2 was demonstrated through the comparisons of phonon scattering factor and channel activation energy(Ea) of the hybrid dielectric film-based monolayer MoS2 transistor and Al2O3 dielectric film-based monolayer MoS2 transistor.
전이금속 칼코겐화합물은 높은 투명성, 유연성 및 우수한 전기적 특성을 가지고 있어 박막 트랜지스터의 채널 소재로 촉망받고 있으며, 이 중 이황화 몰리브덴은 2차원 N형 반도체 소재로 널리 사용되고 있다. 이황화 몰리브덴의 경우, 비교적 높은 온-오프 전류 비율, 높은 이동도, 뛰어난 유연성을 가지고 있다. 뿐만 아니라 원자층 두께의 얇은 특성을 이점으로 Short Channel Effect에 대한 강한 내성을 갖기 때문에 차세대 로직 트랜지스터의 채널 소재로서 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 여전히 기존 실리콘 기반 트랜지스터에 비해 많은 부분에서 해결해야 할 문제들이 있다. 대표적으로 실제로 로직 트랜지스터에 적용되었을 때 채널의 도핑 이슈, 컨택 저항 이슈 및 절연층 과의 계면 이슈들로 인해 이차원 소재가 갖는 잠재성 대비 현저히 낮은 이동도 특성을 보인다는 단점을 갖고 있다.
특히 상부 게이트 구조의 이차원 소재 기반 박막 트랜지스터의 경우 이차원 물질의 불포화 결합 부재로 인한 ALD 공정과의 부조화로 인해 계면 특성 열등하다. 나쁜 계면 특성은 이동도 및 스위칭 특성 저하의 원인이기 때문에 고성능 트랜지스터 구현을 위해 반드시 해결되어야 하는 이슈이다. 본 연구에서는, 최근에 새롭게 개발된 iCVD기반 고유전율 하리브리드 물질을 이황화 몰리브덴 채널 소재의 상부 절연막으로 적용함으로써 우수한 계면 특성을 갖는 트랜지스터를 개발하였다. 나아가 하이브리드 유전막 기반 이차원 트랜지스터와 Al2O3유전막 기반 이차원 트랜지스터의 포논 스케터링 팩터 및 채널 활성화 에너지 비교를 통해 하이브리드 유전막의 이황화 몰리브덴 채널 소재에 대한 계면 우수성을 증명하였다.
