[박진수 학생/장연식 학생/정승준 박사/이탁희 교수] 강한 전기장 내에서 MoS2 물질의 두께에 따라 변화하는 Avalanche Breakdown 현상 연구 (ACS Nano 논문 게재)  
Two-Dimensional Thickness-Dependent Avalanche Breakdown Phenomena in MoS2 Field-Effect Transistors under High Electric Fields
본 논문에서는 강한 전기장 내에서 이차원 n형 반도체 물질 이황화몰리브덴(MoS2)의 Avalanche breakdown 현상에 대해 연구결과를 보고했다. 이차원 물질의 특성상, MoS2 의 두께가 얇아짐에 따라 양자구속효과에 의해 밴드갭의 크기가 커지는 특성을 이용하여, 강한 전기장 내에서 MoS2의 두께 변화에 따른 Avalanche breakdown 현상의 변화를 확인하였다. 또한, 밴드갭의 크기 변화 뿐만 아니라 MoS2 의 두께가 증가할수록direct transition 형 반도체에서 indirect transition형 반도체로 특성이 바뀌면서, 강한 전기장 내에서 가속 받은 전자가 impact ionization 시킬 수 있는 메커니즘이 달라지기 때문에, 두꺼운 MoS2 에서 비교적 낮은 impact ionization rate 가 측정되었다. 추가적으로 온도변화 실험을 통해, 가속 받은 전자와 optical phonon 과의 상호작용에 의해 야기되는 Avalanche 현상의 특성 변화를 확인할 수 있었다.

As two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides electronic devices are scaled down to the sub-μm regime, the active layers of these materials are exposed to high lateral electric fields, resulting in electrical breakdown. In this regard, understanding the intrinsic nature in layer-stacked 2D semiconducting materials under high lateral electric fields is necessary for the reliable applications of their field-effect transistors. Here, we explore the electrical breakdown phenomena originating from avalanche multiplication in MoS2 field-effect transistors with different layer thicknesses and channel lengths. Modulating the band structure and bandgap energy in MoS2 allows the avalanche multiplication to be controlled by adjusting the number of stacking layers. This phenomenon could be observed in transition metal dichalcogenides semiconducting systems due to its quantum confinement effect on the band structure. The relationship between the critical electric field for avalanche breakdown and bandgap energy is well fitted to a power law curve in both monolayer and multilayer MoS2.

Authors: Jinsu Pak, Yeonsik Jang, Junghwan Byun, Kyungjune Cho, Tae-Young Kim, Jae-Keun Kim, Barbara Yuri Choi, Jiwon Shin, Yongtaek Hong, Seungjun Chung,* and Takhee Lee*

ACS Nano
Publication Date (Web): June 28, 2018
DOI: 10.1021/acsnano.8b02925

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