최근 전자 소자의 크기가 급격히 감소하며 기존 실리콘 기반 반도체 소자는 많은 문제점에 직면해있다. 소자 구조의 변화를 포함한 많은 시도에도 불구하고 실리콘 기반의 소자들은 단채널 효과와 같은 전기적 특성을 저하시키는 요소들이 존재한다. 2차원 반데르발스 다층 재료는 기존의 금속-산화막-반도체 전계 트랜지스터 소자 대체물로써 주목받고 있다.
단일 물질과 전이금속 디칼코게나이드 물질을 포함한 원자층단위로 얇은 2차원 반데르발스 물질은 고유한 물리적 특성과 반도체적 소자로서 적합한 밴드갭을 갖는다. 이러한 고유성을 바탕으로한 양자 효과, 여기 응축 현상, 쿨롱 끌림 현상과 같은 다양한 분야에서의 활용은 현재까지 많은 연구자들에 의해 탐구되어 왔다. 하지만, 다층 2차원 전계소자 내의 채널 이동 (혹은변동) 현상은 아직까지 널리 연구되어오지 않았다. 따라서 본 연구팀은 이론적, 실험적 연구는 2차원 전계 소자 내의 전하 거동 현상에 대한 통찰을 제시할 것이다.
우선, 다층 이황화 레늄 내의 채널 이동현상은 토마스-페르미 전하 가림이론과 외부 효과 (드레인 전압, 높은 온도 등)에 의한 층간 저항 성분 변화의 합산 효과로부터 발생한다. 이황화 레늄의 큰 층간 비저항과 층간 독립적인 속성은 연구자들에게 소자 내 각층의 전도도 변화를 뚜렷하게 보여준다. 우리는 소자 내 채널이동과 전하 거동 현상을 확인하기 위해 전이금속 디칼코게나이드 물질 중 하나인 이황화 레늄으로 소자를 공정하였다. 전기적 주요 변수들을 구하기 위해 게이트 전압에 대한 드레인 전류 곡선, 드레인 전압에 대한 드레인 전류 곡선, 상호 곡선 커브, 그리고 저주파 잡음 특성과 같은 기본적인 전류 특성을 측정하였다. 측정 결과를 바탕으로 Y-Function 방법을 통해 전하이동도, 접촉 저항, 채널 저항. 평탄 밴드 전압을 구했고, 저주파 잡음 스펙트럼 분석을 통해 쿨롱 스케터링 파라미터를 구했다. 우리는 결과들을 바탕으로 드레인 전압 증가에 따른 층간 저항 감소와 전기적 변수들의 변화를 밝혀냈다. 이러한 현상은 드레인 전압에 따른 전이금속디칼코게 나이드 소자 내의 전류 흐름 변화 시스템을 보여준다.
두번째, 우리는 이황화 레늄 기반의 전계 소자를 공정한 뒤, 전기적 평가를 온도의 변화를 주며 진행하였다. 온도가 증가함에 따라 소자 전체의 저항은 감소하고 컨덕턴스는 증가하였다. 우리는 상호 컨턱턴스 커브에서 특이하게 높은 최대 지점을 확인할 수 있었는데, 이는 소자 내 전하 거동 현상의 물리적 변화가 발생하였음을 의미한다. 온도에 따라 감소하는 층간 장벽 (혹은 저항) 성분은 컨덕턴스의 급격한 증가와 상호 컨덕턴스 커브로 확인할 수 있는 굉장히 빠른 채널 이동 현상의 원인이 된다.
세번째, 우리는 흑린과 이황화 레늄 개별 소자에 대한 표면 불순물에 의한 효과에 대해 보고하였다. 우선, 고진공 상태에서 측정한 청결한 표면 상태를 가진 반데르발스 소자의 전기적 특성을 확인하고, 1시간 30분간 소자를 대기 중에 노출 시켜 오염시킨 뒤 그 상태로 동일한 전기적 측정을 진행한다. 소자 표면의 오염은 드레인 전류, 전계 효과를 반영한 전하 이동도와 같은 전기적 특성을 저하시킨다. 또한, 상호 컨덕턴스 커브의 두번째 최대점의 소멸로 대기 중에서의 소자 내 가장 윗쪽 채널의 소멸을 확인 할 수 있다.
결론적으로, 반데르발스 물질에 속하는 흑린과 이황화 레늄 내의 채널이동 현상은 전압, 온도 조건, 표면효과 등에 따라 변하는 층간 저항과 채널저항에 의해 결정된다. 우리는 실험적으로 기존의 실리콘 소자와 달리 채널이동과 저항 성분 변화가 발생하는 이유에 대해 밝혀냈다. 이로써 2차원 다층 재료 내의 전하 거동 현상에 대한 깊은 이해를 제공하고, 미세한 크기와 우수한 전기적 특성을 바탕으로한 2차원 반데르발스 물질의 차세대 반도체 소자로서의 가능성을 본 연구 과정을 통해 보였다.