Laser power [ ㎼ ]

0.01 0.1 1 10 10^-3

10^-2 10^-1

P hot or e s pons iv it y [ A W

]

V_DS=1V V_DS=5V V_DS=10V V_DS=15V

(a) Device 1

0.01 0.1 1 10 10^-1

10⁰ 10¹ 10²

P hot or e s pons iv it y [ A W

]

V_DS=1V V_DS=5V V_DS=10V V_DS=15V

(c) Device 3

Laser power [㎼]

0.01 0.1 1 10

10^-1 10⁰ 10¹ 10² 10³

P hot or e s pons iv it y [ A W

]

V_DS=1V V_DS=5V V_DS=10V V_DS=15V

(d) Device 4

Laser power [ ㎼ ]

그림 27. (a) 6nm, (b) 30nm, (c) 45nm, (d) 90nm 소자의 레이저 출력의 변화에 의한 광 응답성

그림 28의 (a), (b), (c), (d)에서는 각각 6nm, 30nm, 45nm, 90nm의 서로 다른 두께의 MoSe2 전계효과 트랜지스터 소자의 레이저 출력과 소스-드레인 전압의 변 화에 따른 외부양자효율(EQE)을 보여주고 있다. 외부양자효율은 입사 광자당 검출 되는 광유도 캐리어의 수이며  _의 방정식을 사용하여 계산 하였다.

여기서 는 광 응답성, 는 플랑크 상수, 는 기본 전자 전하, 는 광속, 는 여 기 파장이다. 측정은 레이저 출력의 동일한 값과 소스–드레인 전압 1V, 5V, 10V, 15V에서 진행 되었다. 소자 1(6nm), 소자 2(30nm), 소자 3(45nm), 소자 4(90nm) 의 외부양자효율은 15V의 소스–드레인 전압, 0.0155μW의 레이저 출력에서 각각 36%, 19,231%, 58,580%, 175,891% 로 가장 높은 값을 얻었으며, 소자의 두께가 증가할수록 전자 구조는 변하지 않았지만, 광 흡수 효율의 증가를 의미한다.

0.01 0.1 1 10 10^-1

10⁰ 10¹

(a) Device 1

Laser power [㎼]

E Q E [ % ]

V_DS=1V V_DS=5V V_DS=10V V_DS=15V

EQE=36%

0.01 0.1 1 10

10¹ 10² 10³ 10⁴

EQE=19,231%

E Q E [ % ]

V_DS=1V V_DS=5V V_DS=10V V_DS=15V

Laser power [ ㎼ ]

(b) Device 2

0.01 0.1 1 10 10¹

10² 10³ 10⁴

Laser power [㎼]

EQE=58,580%

E Q E [ % ]

V_DS=1V V_DS=5V V_DS=10V V_DS=15V

(c) Device 3

0.01 0.1 1 10

10² 10³ 10⁴ 10⁵

EQE=175,891%

E Q E [ % ]

V_DS=1V V_DS=5V V_DS=10V V_DS=15V

(d) Device 4

Laser power [ ㎼ ]

그림 28. (a) 6nm, (b) 30nm, (c) 45nm, (d) 90nm 소자의 레이저 출력의 변화에 의한 외부양자효율

그림 29는 2차원 물질인 MoSe2 층의 두께 변화에 따른 소자의 광 응답성 및 외 부양자효율의 변화를 보여주고 있다. 소자의 광전자 성능은 두께를 증가시킬 때 향 상 되었으며, 이는 MoSe2의 두께증가에 의해 광 흡수층이 증가함에 따라 유발될 수 있다. 또한 이러한 현상은 다른 2차원 물질 기반의 광 검출기에서도 보고되었다 [22-23, 27].

1 2 3 4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100 Photoresponsivity _ V

ds = 15V Laser power=0.0155㎼

EQE _ V_ds = 15V Laser power=0.0155㎼

Device

0 100 200 300 400 500 600 700 800

10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵

EQE [%]

Thickness [nm] Photoresponsivity [AW-1 ]

그림 29. MoSe2 두께 변화에 따른 소자의 광 응답성 및 외부양자효율

Ⅴ. 결 론

본 논문에서는 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide) 물질인 MoSe2를 전사 매개체인 PDMS를 제작하여 SiO2/Ti 전극 위에 기계적 박리법을 통 해 다양한 두께의 전계효과 트랜지스터를 제작하였다. 물성분석으로는 원자 힘 현 미경, 라만분광 측정을 진행하고 반도체 특성 분석기와 4 프로브 스테이션 및 532nm 레이저를 사용하여 전기적 특성 및 광학적 특성을 비교 하였다. 제작된 소 자의 2차원 물질과 전극 간의 접촉저항 및 전기적 특성을 개선하기 위해 급속 열처 리 장비를 통해서 400℃에서 120분간 Ar 가스 분위기에서 열처리를 진행하였다.

제작된 소자의 채널 역할을 하는 MoSe2 두께는 AFM분석을 이용하여 측정 하였 으며, 측정된 소자의 두께는 각각 6nm, 30nm, 45nm, 90nm로 측정 되었다. 라만 분광 측정을 통하여 244cm^-1에서 A1g 모드에 해당하는 MoSe2의 라만 피크를 확인 할 수 있었으며, MoSe2 고유의 라만 피크와 일치하는 것을 확인 할 수 있었다.

VDS-ID를 측정을 통해 오믹 접촉을 확인 할 수 있었다. 6nm, 30nm, 45nm, 90nm 서로 다른 두께를 가지는 2차원 MoSe2의 저항은 각각 78.73Ω, 0.60Ω, 0.30Ω, 0.07Ω으로 측정 되었다. 이는 MoSe2의 두께 증가에 따른 캐리어 농도의 증가로 인해 저항의 감소로 판단된다. Vg–ID 특성을 통해 15V의 소스-드레인 전압에서 계 산된 전자 이동도는 각각 3.04cm²/Vs, 8.17cm²/Vs, 78.29cm²/Vs, 24.43cm²/Vs으 로 계산 되었다. 2차원 MoSe2의 두께가 증가함에 따라 전자 이동도는 증가 되었 고, 특정 두께에 이르러서는 감소하는 특성을 확인 하였다. 이는 MoSe2 플레이크 의 두께 증가로 인해 축적된 캐리어의 증가로 판단된다. 광학적 특성 분석을 위해 광 응답성, 외부양자효율(EQE)을 계산 하였고 광원으로 532nm 레이저를 사용 하였 다. 15V의 소스-드레인 전압에서 광 응답성은 MoSe2 두께에 따라 각각 0.15AW^-1, 82.43AW^-1, 251.08AW^-1, 753.87AW^-1 값을 얻었으며, 외부양자효율 또한 36%, 19,231%, 58,580%, 175,891%로 두께가 증가할수록 증가하는 특성을 보여준다. 90nm 두께의 소자에서 매우 높은 광 응답성 및 외부양자효율을 얻을 수 있었으며 우수한 광 학적 특성으로 인해 광 검출기 및 수광소자, 태양전지 등 다양한 분야에서 응용 가능하