npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 272-277

Published online March 29, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.272

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

Performance Enhancement of Broadband MoS2/LaVO3 Photodetector by Employing Thickness-controlled LaVO3

LaVO3 두께 조절에 따른 광대역 MoS2/LaVO3 광검출기의 성능 향상

Da Hyeon Kim1, Han Noh1, Si Duck Oh2, Dong Hee Shin3*

1Department of Physics, Andong National University, Andong 36729, Korea
2Smart Energy and Nano R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology (KITECH), Gwangju 61012, Korea
3Department of Smart Sensors Engineering, Andong National University, Andong 36729, Korea

Correspondence to:*sdh0105@anu.ac.kr

Received: November 13, 2023; Revised: November 22, 2023; Accepted: November 29, 2023

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

A broadband photodetector (PD) was successfully fabricated by combining LaVO3 with a chemical vapor deposition-MoS2. We systematically measured the performance of the PD by varying the LaVO3 thickness. All devices had the highest photocurrent/dark current (DC) ratio at 0 V, meaning “self-powered”. The performance characteristics of the PD depended on t. In particular, the highest detectivity of the device was 2.7 × 1012 cmHz1/2W−1 at t = 200 nm due to a trade-off between photoresponsivity and DC. Additionally, the 290 μs rise/580 μs decay times showed better performance than previously reported MoS2-based devices.

Keywords: Perovskite oxide, MoS2, heterostructure, Photodetector, Response time

화학 기상 증착법으로 합성된 2차원 물질과 LaVO3 접합하여 광대역 광 검출기를 제작하였다. 우리는 LaVO3 두께 (thickness, t) 변화에 따른 광 검출기의 성능을 체계적으로 측정하였다. 모든 소자는 0 V에서 광전류/암전류 비율이 가장 높았으며, “자체 전력 공급”이 가능함을 의미한다. 광 검출기의 성능 특성은 t에 의존하였다. 특히, 소자의 검출능은 광 반응도와 암전류의 트레이드오프 (trade-off)에 의해 t = 200 nm에서 2.8×1012 cmHz1/2W−1가로 가장 높은 검출능을 보였다. 또한, 290 μs 상승/580 μs 하강 응답 속도는 기존 보고된 MoS2 기반 광 검출기 소자보다 우수한 성능을 보여주었다.

Keywords: 페로브스카이트 산화물, 이황화 몰리브덴, 이종접합, 광검출기, 응답 시간

광검출기(photodetector, PD)는 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 중요한 감지 장치로 정보화 시대에 대체할 수 없는 역할을 하고 있다[1,2]. 이차원 물질 (2D) 재료는 고유한 특성으로 인해 다양한 광전자 장치를 개발하기 위한 놀라운 플랫폼으로 부상하였다[3]. 단층 그래핀이 처음 보고된 이후 2D 재료는 반도체 소자 제조에 큰 관심을 불러일으켰다. 그러나, 그래핀은 제한된 밴드갭 특성으로 광검출기 응용에는 상당한 제한 사항이 있다[4].

반면, WS2, MoS2, WSe2 및 MoSe2와 같은 전이 금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMD)물질은 뛰어난 광학적, 전기적, 기계적 성능, 조절 가능한 밴드갭, 발광에 대한 높은 양자 수율로 인하여 2D 재료 계열 그룹의 가장 뛰어난 물질들로 많은 관심을 받고 있다[5-12]. 이러한 우수한 특성들 덕분에 최근에는 TMD 기반 광검출기 연구가 보고되었다. 예를 들어, 단층 MoS2를 기반 광검출기는 400–680 nm 파장 범위에서 880 AW -1의 높은 광 반응도를 보였다[13]. WS2 박막 기반 소자에서는 0.5 AW -1의 광 응답을 갖는 광대역 광검출기를 시연하였다 상대적으로 우수한 장점에도 불구하고 낮은 캐리어 이동도로 인하여 소자 성능이 제한된다[14]. WSe2 필름 기반 소자는 370–1064 nm의 초 광대역에서 응답 특성을 나타내지만, 0.9초의 상대적으로 느린 응답 시간 보였다[15]. 또한, WSe2 전계효과트랜지스터는 638 nm 조명에서 93.7 AW -1의 우수한 광 반응도를 불구하고 0.4초의 긴 응답시간 특성을 보였다[16].

이러한 문제점을 해결하기 위해, 많은 그룹에서는 2D와 기존 반도체를 기반으로 2D/3D 이종접합 구조를 보고하였다[17-20]. 이종접합 형성은 빛에 의해 들뜬상태가 된 전자-정공 쌍을 효과적으로 분리하여 광검출기 소자의 광 응답 특성을 향상하는 방법의 하나이다. 또한, 2D 재료와 3D 반도체를 통합하면 더 높은 광 흡수로 향상된 광 반응도 (responsivity, R)와 검출능 (detectivity, D*)을 보여주었다.

반면, BiFeO3, LaFeO3, SrTiO3, LaMnO3, LaVO3와 같은 페로브스카이트 산화물 (Perovsktie oxide)는 가시 광 영역에서 높은 광 흡수율로 인하여 광전자 소자의 이상적인 재료로 알려져 있다[21,22,23]. 특히, LaVO3 물질은 자외선부터 가시 광 영역에서 높은 흡광도, 상대적으로 빠른 광 응답 속도, 및 대기 중에서 높은 안정성과 같은 특성들 덕분에 광검출기 소자의 이상적인 소재로 알려져 있다[23,24]. 이전 연구에서, 우리는 LaVO3 기반 광전자 소자가 보고하였다[25,26,27,28,29]. 가장 최근에 는 2D/LaVO3 이종접합 광검출기가 소개하였지만, LaVO3 두께 변화에 따른 특성 연구에 없었다. 본 연구에서 우리는 석영 기판에 LaVO3 두께 의존에 따른 MoS2/LaVO3 이종접합 구조를 제작하였다. 다음으로 우리는 광 검출기의 성능 지표인 광전류(photocurrent, PC)/암전류(dark current, DC) 비율, 광 반응도, 검출능 및 응답 시간을 측정하였다.

LaVO3 필름을 성장시키기 위해 우리는 50 W의 RF 전력으로 고주파 마그네트론 스퍼터링 (radio frequency magnetron sputtering) 장비를 이용하여 석영 기판에 증착하였다. LaVO3 박막의 두께는 스퍼터링 시간에 의해 조절하였으며, 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)에 의해 확인하였다. 화학 기상 증착법 (chemical vapor deposition)에 의해 합성된 MoS2 시트는 Six Carbon Technology에서 구입하였다. SiO2/Si 기판 위에 합성된 MoS2를 분리하기 위해, 우리는 습식 전사 공정을 이용하였다. 폴리메타크릴산 메틸 (Poly(methyl methacrylate, PMMA) 용액 (0.46 g PMMA 분말/10mL 클로로벤젠)을 MoS2 표면 위에 떨어뜨린 후, 4200 rpm에서 60초 동안 스핀 코팅하였다. 다음으로, PMMA/MoS2/SiO2/Si 샘플을 산화물 에칭 용액 (buffer oxide etchant,)에 띄워 SiO2를 제거함으로써, PMMA/MoS2만 얻게 되었다. PMMA/MoS2는 LaVO3 박막 위에 전사한 후 100 C의 2시간 동안 열처리하였다. 그런 다음, PMMA 층은 아세톤에 의해 제거하였다. MoS2의 라만 스펙트럼은 532 nm 레이저 라인을 갖춘 라만 분광계 시스템을 사용하여 얻었다. LaVO3와 MoS2 샘플에 대한 투과도는 자외선-가시광선 근적외선 분광계(ultraviolet-visible near-infrared spectrometer)를 사용하여 측정되었다. 켈빈 탐침 힘 현미경(Kelvin probe force microscopy)을 사용하여 MoS2의 일함수를 분석했다. 최종적으로 광검출기 제작하기 위해 구성 물질의 일함수를 고려하여 상부/하부 전극에 Ag와 Au를 증착하였다. 소자의 전기적 특성은 Keithley 2400 소스 미터를 이용하여 측정하였다. 소자의 300–1000 nm 영역에 해당되는 광 반응도는 450 W 할로겐 광원과 단색 장치가 연결된 시스템을 이용하여 측정하였다. 여기서, 우리는 상용화된 Si 포토다이오드를 이용하여 광 반응도 수치를 보정하였다. 소자의 상승/하강 광 응답속도는 1 kHz 주파수의 532 nm 펄스 레이저를 사용하여 기록되었다.

Figure 1(a)는 MoS2 시트에 대한 라만 스펙트럼을 보여준다. 결과적으로, A 1g와 E 2g1의 두 포논모드가 뚜렷하게 관찰되었으며, 이는 고품질 MoS2 필름을 의미한다. E 2g1와 A 1g 피크 위치 차이는 25 cm -1로 4–5층에 해당된다. Figure 1(b)는 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectros copy, XPS) 스펙트럼을 나타낸다. MoS2와 관련된 Mo 3d5/2, Mo 3d3/2, S 2p3/2, S 2p1/2 및 S 2s의 5개 피크가 관찰되었으며, 이전 문헌과 일치한다[30]. MoS2 필름의 투과율과 흡광도는 300–1000 nm의 범위에서 정반대의 거동을 보여준다. 500–1000 nm 영역에서 투과율은 80% 이상이었다. 광 흡수는 가시광선 영역에서 매우 효율적이었으며 이는 광검출기 적용하는데 있어 적합하다. MoS2 필름의 일함수는 켈빈 탐침 힘 현미경을 사용하여 4.58 ± 0.03 eV로 측정되었으며, 이는 이전에 결과와 일치한다[31].

Figure 1. (Color online) (a) Raman spectrum, (b) XPS spectra Mo3d/S 2p, (c) transmittance, and (d) work function of a typical MoS2 film.

Figure 2(a)–(c)는 LaVO3 두께 (thickness, t) 변화에 따른 단면 SEM 이미지를 나타낸다. 결과적으로, LaVO3 박막 의 t = 100, 200, 300 nm로 확인되었다. Figure 2(d)는 석영 기판위에 증착된 LaVO3 필름에 대한 투과도와 흡광도 스펙트럼을 나타낸다. t가 증가함에 따라 투과도 스펙트럼은 점차 감소하고 흡광도 스펙트럼은 점차 증가한다. Figure 2(e)는 t = 200 nm에 대한 LaVO3의 XPS 스펙트럼을 보여준다. XPS 스펙트럼에서 볼 수 있듯이, La 3d, V 2p 및 O 1s 코어 레벨이 관찰되어 LaVO3 필름이 잘 합성되었음을 나타낸다[27,28,29].

Figure 2. (a)–(c) Cross-sectional SEM image and (d) absorbance of LaVO3 film as function of t. (e) XPS spectrum for LaVO3 at t = 200 nm.

Figure 3(a)는 MoS2/LaVO3 이종접합 실제 이미지 및 소자 모식도를 보여준다. Figure 3(b)는 소자의 밴드다이어그램을 나타낸다. 여기서, MoS2의 일함수를 측정된 결과를 사용하였으며, LaVO3 관련된 페르미 에너지 (Fermi level, EF)와 전도대/가전대 값은 이전에 보고된 문헌을 이용하였다. Figure 3(c)는 어두운 조건과 600 nm 파장 조명하에 t 변화에 따른 소자의 전류 밀도-전압(current density- voltage, J-V) 특성을 보여준다. 어두운 조건에서의 전기적 특성은 t와 관계없이 역방향 (V<0) 보다 순방향 (V>0) 바이어스에서 더 큰 DC를 보여준다.

Figure 3. (Color online) (a) Schematic device structure, (b) Energy band diagram, and (c) current density-voltage (J-V) curves of the MoS2/LaVO3 junction under dark and illumination at 600 nm. (d) Photo current/dark current (PC/DC) ratio as a function of bias voltage. (e) Spectral responsivity (R) and (f) Detectivity (D*) of MoS2/LaVO3 for various t at zero bias.

이러한 이유는 밴드 다이어그램에서 설명이 가능하다. p형 LaVO3EFV=0에서 가전자대에서 낮은 위치에 위치한다. 따라서 역방향 바이어스에서 MoS2의 정공은 MoS2/LaVO3 경계면의 높은 에너지 장벽을 극복하여 LaVO3 쪽으로 이동한다. 순방향 바이어스에서는 전자가 LaVO3 쪽으로 이동하기 위해 극복해야 할 에너지 장벽이 낮아진다. 이는 역방향보다 순방향 바이어스에서 DC가 더 큰 이유를 설명한다. V=0에서 매우 낮은 DC로 판단하며 누설 전류는 무시할 수 있다. 또한, 소자의 DC는 t가 증가함에 따라 약간 증가한다. 이는 박막 형성 중 핀 홀과 트랩을 포함한 결함에 의해 DC가 증가할 수 있다.

반면, 광 조사 하에서 자유 전자/정공 또는 느슨하게 결합된 전자-정공 쌍이 LaVO3 및 MoS2층에 생성된다. 생성된 전자와 정공은 각각 Ag와 Au 전극 쪽으로 이동/수집되며, 결과적으로 모든 전압 범위에서 광전류가 형성된다. t = 200 nm에서 PC의 증가는 비교적 두꺼운 활성층에 의해 흡수된 광자 수가 증가했기 때문이다. t = 300 nm에서는 흡수된 광자의 수가 t = 100과 200 nm에 비해 높음에도 불구하고 PC의 증가는 크지가 않다. 이러한 이유는 t가 증가함에 따라 캐리어가 수집 전극에 도달하려면 비교적 긴 경로를 이동해야 하므로 재결합 확률이 높기 때문이다. Figure 3(d)는 0 V에서 델타 함수와 유사한 PC/DC 비율을 보여주며, 이는 모든 소자가 ``자체 전력 공급"이 가능함을 의미한다. 즉, 소자는 0 V에서 동작할 수 있어 전력 소모를 줄일 수 있다. Figure 3(e)는 300–1000 nm 파장에 대한 다양한 소자들의 광 반응도를 나타낸다. 여기서 광 반응도 (R)은 다음 식: R=PC/IL에 의해 산출하였으며, 여기서 IL의 각 파장에 해당하는 빛의 세기를 의미한다[32]. t가 증가함에 따라 전체 파장에 대한 광 반응도는 증가하였지만, t200 nm에서 광 반응도의 증가는 크지 않았다.

광검출기에서 또 다른 중요한 성능 지수는 검출능 (D*)이다. 검출능은 다음 방정식: D*=R/(2qJd)에 의해 평가되었다[32]. 여기서, q는 전기 소량 (elementary charge), Jd는 암전류이다. 검출능은 t = 200 nm과 700 nm 파장에서 2.7×1012 cmHz1/2W -1 로 가장 높았으며, 이전 보고된 MoS2 또는 LaVO3 기반 소자보다 높거나 비교 가능한 수준이다[15,16,26,33,34].

다음으로 소자의 광학적 응답 속도를 확인하기 위해 1 kHz의 532 nm 펄스 레이저를 이용하여 Fig. 4와 같이 응답 시간을 측정하였다. 소자의 응답 속도 측정 후, 우리는 피팅 프로그램을 이용하여 상승/하강 시간을 평가하였다. 결과적으로, Table 1에 요약된 것처럼 t가 증가함에 따라 반응속도는 다소 느려지지만, 이전에 보고된 MoS2 기반 소자보다 빠르다. 응답 속도는 터널 장벽에 갇힌 광 캐리어의 수명에 의해 제한되지만 차이는 크지 않았다. MoS2/LaVO3 이종접합 소자에서는 밴드 정렬이 향상과 패시베이션 효과에 의해 경계면에서의 결함이 감소하여 캐리어 붕괴 속도가 빨라진 것이라 여겨진다.

Figure 4. (Color online) Normalized transient photocurrents at a bias voltage of 0 V, excited by a 532 nm laser line chopped at a frequency of 1 kHz.


Photo-response time of device for various of t.


Thickness (nm)Rise time (μs)Decay time (μs)
100275426
200290580
300298604

우리는 LaVO3t 가변에 따른 MoS2/ LaVO3 이종접합 광검출기를 성공적으로 제작하였다. t에 관계없이 모든 소자는 PC/DC 비율에서 가장 컸으며, 이는 자체 전력 구동이 가능함을 시사한다. 결과적으로 t = 200 nm에서 가장 높은 PC/DC 비율을 보였다. 소자의 광 반응도는 t = 300 nm에서 가장 높은 광 흡수율 덕분에 가장 높았다. 광 반응도와 DC를 고려하여 검출능을 분석한 결과 t = 200 nm 가장 높았다. 또한, MoS2/ LaVO3t에 관계없이 MoS2 기반 소자보다 빠른 광 반응속도를 보였다.

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Ministry of Science, ICT & Future Planning: NRF-2022R1C1C1008499.

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