Electrical characterizations of low-dimensional semiconductor nanostructures: nanowire and nanosheet
- 주제(키워드) low-dimensional nanostructure , nanowire , nanosheet , field-effect transistor (FET) , molybdenum disulfide (MoS2) , tin dioxide (SnO2)
- 발행기관 고려대학교 대학원
- 지도교수 김규태
- 발행년도 2014
- 학위수여년월 2014. 2
- 학위구분 박사
- 학과 일반대학원 전자전기공학과
- 세부전공 전자전기컴퓨터공학 전공
- 원문페이지 222 p
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/korea/000000049882
- 본문언어 영어
- 제출원본 000045793590
초록/요약
The physical properties of bottom-up synthesized SnO2 nanowires and mechanically exfoliated MoS2 nanosheets have been studied in this thesis based on the electrical characterizations of the field-effect transistors (FETs). The SnO2 nanowire and MoS2 nanosheet are good representatives for 1- and 2-dimensional nanostructures. The SnO2 nanowire is a functional nanomaterial and the oxygen vacancies can play a great role to its properties, so it has been tried to be applied to many applications. The MoS2 has attracted researchers’ attention because of the similarities and differences compared with graphene in terms of the structural and physical properties. For the bottom-up synthesized SnO2 nanowires, the nanowires and hierarchical nanostructures of SnO2 material were synthesized by chemical vapor deposition (CVD) method. To obtain the structural complexity, the hierarchical nanostructure which is the branched nanowire of SnO2 was synthesized using two-step CVD method, and its electrical properties were also characterized. The branched SnO2 nanowires FET showed higher conductance and lower gate voltage controllability compared with the pure backbone SnO2 nanowires FET due to the parasitic conduction path formation of SnO2 branches. The three types of the individual SnO2 nanowire FETs with/without the passivation layer (PMMA and Al2O3) were fabricated using a single SnO2 nanowire. The degradation patterns of those three types of devices were observed by designing the new graphical expressions with FET-Rs equivalent circuit model. The unpassivated device was affected by the gas molecules in ambient air, but the PMMA and Al2O3 passivated device relatively kept their initial properties during two months. Multilayer MoS2 nanosheets were mechanically exfoliated with scotch tape method and those electrical properties were observed in the form of FET configuration. The as-fabricated multilayer MoS2 showed the Schottky behaviors so the thermionic field emission theory was utilized to analyze the device properties. The extracted mobility using the theory was as high as the bulk MoS2 mobility but the precise selection of effective mass of the multilayer MoS2 are necessary. In order to make Ohmic-like behaviors for the multilayer MoS2, the thermal or induction annealing process were applied to the device. Due to the removal of remnant polymer residues and/or enhancement of contact properties, the annealed devices showed Ohmic behaviors. The series resistances of multilayer MoS2 were extracted using four-probe measurement and Y-function method (YFM). Those two extracted values are similar with each other, so the reliability of the series resistance was increased. By using the simplicity of YFM, the series resistance versus thickness of MoS2 device plot was configured from the device set, and the interlayer resistance value between the MoS2 layers was finally extracted. Low-frequency noise characterizations were also progressed with the multilayer MoS2 FETs without and with the Al2O3 passivation layer. For the relatively thick multilayer MoS2 without the passivation, the Hooge mobility fluctuation (HMF) model related to the fluctuation of scattering cross sections was fitted in entire operation regime, implying that the existence of bulk conduction. For the relatively thin multilayer MoS2 without the passivation, the carrier number fluctuation (CNF) model related to the charge trapping/detrapping in the gate oxide was fitted in strong accumulation regime, and the HMF model was introduced to explain the discrepancy in the low current region. With the Al2O3 passivation, another CNF model was inserted to describe the different part compared with before the passivation case, and this could be attributed with the fixed charges in Al2O3. The Al2O3 passivated devices showed the increase of the off-current, supporting the generation of electrostatic doping due to the fixed charges in Al2O3 layer. The study about the FETs of nanomaterials is a prime task to apply those nanomaterials to the commercial devices because the FET configuration can be a building block for the wide applications. We believe that this thesis can be helpful to understand the physical properties about the 1- and 2-dimensional nanostructures.
more초록/요약
상향식 (bottom-up)으로 성장된 이산화주석 (SnO2) 나노선과 기계적으로 박리된 이황화몰리브덴 (MoS2) 나노시트의 물리적 특성이 전계효과트랜지스터 (field-effect transistor)의 제작 및 전기적 분석을 통해 본 논문에서 연구되었다. SnO2 나노선과 MoS2 나노시트는 각각 좋은 1차원과 2차원 나노구조체의 예가 될 수 있으므로, 저차원 소재를 연구하는데 있어서 많은 도움이 될 수 있다. SnO2 나노선의 경우, 다기능적인 특징을 지니며, 산소 결함 (oxygen vacancy)이 SnO2 나노선의 특징에 있어 중요한 역할을 하기 때문에, 다양한 응용분야에 적용될 수 있다. MoS2 나노시트의 경우, 구조적인 관점과 물리적인 관점 측면에서 그라핀 (graphene)과의 유사성과 상이함 때문에 많은 연구자들의 관심을 받고 있다. 상향식으로 성장된 SnO2 나노선의 경우, SnO2 나노선과 나뭇가지 형태 (branched)의 SnO2 나노선이 2단계의 화학 기상 증착 (chemical vapor deposition) 방법을 이용하여 성공적으로 합성되었다. 나뭇가지 형태의 SnO2 나노선 FET가 순수한 SnO2 나노선 FET 보다 더 높은 전도도와 더 낮은 게이트 전압 영향을 보였다. 이는 기생 전도 통로가 나뭇가지 형태의 가지 쪽 SnO2에 의해 생성되었다고 보고 전기적인 분석을 진행하였다. 세가지 형태의 단일 SnO2 나노선 FET를 동일한 단일 SnO2 나노선을 기반으로 제작하였다. 그 세가지 형태는 각각 보호층이 없는 것, 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA) 보호층이 있는 것, 그리고 산화알루미늄 (Al2O3) 보호층이 있는 것을 의미한다. 그 세가지 형태의 SnO2 FET의 열화 현상을 두 달 동안 새로운 관찰방법을 고안하여 연구하였다. 그것은 나노선 FET와 직렬연결 된 저항 (Rs)이 있는 등가회로로 모델링 된 그래픽적인 분석 방법이다. 이를 통해, 보호층이 없는 경우 보호층이 존재하는 경우보다 소자 특성의 열화가 빨리 진행된다는 것을 확인하였다. 다층 MoS2 나노시트를 기계적으로 박리하여 FET 형태로 제작하였고, 그것의 전기적인 특성이 연구되었다. 처음 제작된 소자의 경우, 쇼트키 특성 (Schottky behaviors)을 보였으며, 그것을 열-전계 방출 (thermionic-field emission) 현상으로 설명하였다. 그 이론에 의해 추출된 전하이동도 (mobility)는 MoS2 물질에서 전하의 유효질량에 의한 영향을 많이 받는 것으로 확인되었다. 또한, 열처리 또는 유도가열을 이용하여 오믹 특성 (Ohmic behaviors)을 가지는 다층 MoS2 소자를 구현하였다. 이것은 잔여 고분자 물질의 제거 또는 금속과 MoS2의 접촉성능개선이 열처리 또는 유도가열 공정에 의해 이루어졌을 가능성을 제시한다. 4 단자 측정법과 Y-함수 방법 (Y-function method)을 통해 다층 MoS2 소자의 기생 직렬저항 (series resistance)을 추출하였다. 두 방법을 통해 추출한 값은 거의 동일한 수준이었기 때문에, 값에 대한 신뢰성을 더하였다. 따라서, 비교적 적용하기에 간편한 Y-함수 방법을 통하여 다층 MoS2의 두께에 대한 기생 직렬저항 값을 추출하였고, 그로부터 MoS2의 층간 저항을 얻을 수 있었다. Al2O3 보호층의 유무에 따라, 다층 MoS2 소자의 저주파 잡음 (low-frequency noise) 연구를 진행하였다. Al2O3 보호층이 없는 비교적 두꺼운 MoS2의 경우, 전하의 산란 단면의 변동과 관련이 있는 후지 이동도 변동 (Hooge mobility fluctuation (HMF)) 모델이 트랜지스터 전 동작영역에서 유효하였다. 이는 벌크 전도 (bulk conduction)가 일어났음을 암시하는 것이었다. Al2O3 보호층이 없는 상대적으로 얇은 MoS2의 경우, 게이트 산화 막에 존재하는 트랩에 의한 전하의 잡힘과 풀림 현상과 관련 있는 전하 개수 변동 (carrier number fluctuation (CNF)) 모델이 전하의 강축적 영역 (strong accumulation regime)에서 유효하였다. 또한, HMF 모델이 저전류 영역에서의 오차를 보완하기 위해 도입되었다. Al2O3 보호층이 있는 경우, 또 다른 CNF 모델이 도입되었는데, 이는 보호층의 존재 때문에 생기는 상이성을 설명하는 것이다. Al2O3의 경우, 상대적으로 고정 전하 (fixed charge)가 많이 분포되어 있는 것으로 간주되므로, 위와 같은 상이성은 이런 고정 전하에 의한 정전기적인 도핑 현상 때문에 발생하는 것으로 여겨진다. 이는 많은 서로 다른 다층 MoS2 소자의 꺼짐 영역에서 누설전류의 증가가 관찰되는 것으로 뒷받침 될 수 있었다. FET 구성은 폭넓은 응용분야에 있어서 기초적인 구성 요소가 될 수 있으므로, FET 연구는 나노재료를 상업적인 소자에 적용하기 위하여 선행되어야 할 숙제이다. 따라서, 본 연구가 저차원 나노재료의 물리적인 특성을 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것이라고 생각한다.
more목차
Abstract
국문초록
1. Introduction 1
2. Experimental backgrounds 4
2.1. Bottom-up growth of nanostructures 4
2.1.1. Chemical vapor deposition 5
2.1.2. Molecular beam epitaxy 9
2.1.3. Sol-gel 12
2.1.4. Pulsed laser deposition 13
2.2. Nanodevice fabrications 15
2.2.1. Photolithography 15
2.2.2. Electron beam lithography 19
2.2.3. Etching 23
2.2.4. Atomic layer deposition 24
2.2.5. Annealing 26
2.2.6. Plasma doping 28
2.3. Nanomaterial and Nanodevice characterizations 29
2.3.1. X-ray diffraction 30
2.3.2. Auger electron spectroscopy 31
2.3.3. Current-voltage measurements 32
2.3.4. Low-frequency noise measurements 39
3. Theoretical backgrounds 47
3.1. 1-D nanostructures: metal oxides 47
3.1.1. Amorphous metal oxides 48
3.1.2. SnO2 nanowires 49
3.2. 2-D nanostructures: Transition metal dichalcogenides 54
3.2.1. MoS2 nanosheets 56
3.3. Transport mechanisms at semiconductor-metal junction 59
3.4. Device parameter extractions 62
3.4.1. Threshold voltage 63
3.4.2. Mobility and gate capacitance 66
3.4.3. Y-function method 69
3.5. Low-frequency noise analysis 70
4. Synthesis of nanostructures 82
4.1. Bottom-up growth of SnO2 nanowires 82
4.2. Multi-step CVD growth of branched SnO2 nanowires 87
5. Electrical properties of individual SnO2 nanowire 104
5.1. Device fabrication with individual SnO2 nanowire 104
5.2. Electrical degradation of individual SnO2 nanowire device 108
6. Schottky/Ohmic behaviors in MoS2-metal contacts 122
6.1. Schottky behaviors in metal-MoS2-metal structure 122
6.2. Ohmic behaviors using annealing techniques 128
6.2.1. Thermal annealing effects 129
6.2.2. Induction annealing effects 131
7. Series resistance in MoS2 field-effect transistors 139
7.1. Fabrication details of MoS2 FETs 140
7.2. Four-probe measurements of MoS2 FETs 141
7.3. Y-function methods of MoS2 FETs 145
7.4. Interlayer resistance in multilayer MoS2 147
7.5. Conclusions 150
8. Low-frequency noise in MoS2 field-effect transistors 154
8.1. Fabrication details of MoS2 FETs 155
8.2. Al2O3 passivation effects on DC characteristics of MoS2 FET 158
8.3. Low-frequency noise analysis of MoS2 FET 163
8.4. Conclusions 176
9. Conclusion 182
Appendix 185
Appendix 1: Thickness identification using optical images 185
Appendix 2: Electrical properties of WSe2 nanosheets 188
Appendix 3: Fabrication of suspended MoS2 device 190
Appendix 4: Numerical simulation of space charge density effects 196
Appendix 5: Numerical simulation of induction heating 196
Publication list 200
