Electrical and Optical Characterizations of 2D Semiconductor- 3D Semiconductor/Metal Hybrid Heterostructures

Abstract

We studied two kinds of hybrid heterostructures consisting of two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDs) and three-dimensional (3D) bulk materials: 2D TMDs directly grown on 3D Si semiconductor (SC) wafers and 2D TMDs stacked on 3D Au metal nanogratings. We investigated the electrical and optical characteristics of these heterostructures based on experimental measurements, data analyses, and numerical calculations. This study helps us to understand and control the physical properties of the 2D SC-3D SC/metal hybrid heterostructures. MoS2/Si and WS2/Si 2D-3D SC heterojunctions were fabricated by a newly developed low-temperature plasma technique at Korea Institute of Materials Science. In our laboratory, we studied current-voltage characteristics and their temperature dependence in dark and under light illumination, which could help us to understand the charge carrier transport behaviors in the 2D-3D heterojunctions. The results could be explained by the transport models used for conventional p-n junction diodes. Frequency-dependent photo-detection measurements, which could reveal the influences of the interface defect states on the collection of photo-generated carriers, were also carried out. TMD flakes on metal grating structures were prepared and their physical properties were investigated. Exfoliated MoS2 flakes were transferred on Au nanogratings fabricated using electron-beam lithography. The finite-difference time-domain simulations showed us how the nanograting structures could affect the optical properties of the MoS2 flakes on them. The work function variation in dark and light illumination was studied using Kelvin probe force microscopy to elucidate the interaction between the incoming light and the charge carriers in the MoS2 flakes. ;본 학위 논문에서는 2차원 TMD (transition metal dichalchognide)와 3차원 벌크 물질로 이루어진 두 종류의 하이브리드 이종구조(3차원 Si 반도체 위에 TMD를 직접 성장한 구조와 3차원 금 나노 회절격자(grating) 구조 위에 TMD를 적층한 구조)를 연구하였다. 실험적 측정, 데이터 분석, 수치해석 계산을 바탕으로 이종구조의 전기적 광학적 특성을 연구하였다. 본 연구는 2차원 반도체-3차원 반도체 또는 금속의 하이브리드 이종구조의 물리적 성질 이해와 제어에 도움이 될 것이다. MoS2/Si과 WS2/Si 2차원-3차원 이종접합은 한국재료연구소에서 새롭게 개발한 저온 플라즈마 공정 방법으로 제작되었다. 본 연구실에서는 광원 유무에 따른 전류-전압 특성과 함께 그 온도 의존성 조사를 통하여 2차원-3차원 이종접합에서 일어나는 전하 수송 과정을 이해하고자 하였다. 실험 결과는 전통적인 p-n 접합 다이오드에 이용하고 있는 전하 수송 모델로 설명할 수 있었다. 광생성 수송자들 포획에 영향을 주는 계면 결함 에너지 준위 역할 조사를 위해서는 고속 광검출 측정을 수행하였다. 또한 금속 회절격자 구조 위에 TMD 조각을 적층한 구조를 만들고 물리적 특성을 조사하였다. 박리된 MoS2 조각들은 전자빔 리소그래피로 제작한 금 나노 회절격자 위에 전사(transfer)하였다. FDTD (finite-difference time-domain) 시뮬레이션 방법으로 나노 회절격자 구조가 MoS2 조각의 광학적 특성 변화에 미치는 영향을 조사하였다. 광원 유무에 따른 표면 일함수 변화는 KPFM (Kelvin probe force microscopy) 방법으로 측정하였고, 측정 결과로부터 MoS2 조각 내에서 전하 수송자와 빛의 상호작용을 이해하고자 하였다.