하프늄 산화물 게이트 유전막이 MoS2 FET 성능에 미치는 영향

Influence of HfO2 Gate Dielectric on MoS2 FET Performance

2차원 전이금속 디칼코게나이드(transition-metal dichalcogenide, TMDC) 중 MoS2는 원자 단위의 두께와 고유한 반도체 특성으로 인해 차세대 전자 소자의 핵심 채널 물질로 주목받고 있다. 특히 전계효과 트랜지스터(field-effect transistor, FET)의 전기적 특성은 채널 물질과 게이트 유전막 사이의 계면 특성에 따라 결정되며, 계면 제어를 통해 소자의 성능을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 본 연구에서는 후면 게이트구조의 MoS2 FET를 제작하고, 게이트 절연층을 기존의 SiO2에서 고유전율 물질인 HfO2로 변경하여 소자 성능에 미치는 영향을 체계적으로분석하였다. 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD)을 통해 HfO2 절연층을 증착하고 기계적 박리 및 건식 전사 공정으로 MoS2 채널을형성하여 소자 제작을 통해 SiO2 절연층 대비 전계효과 이동도가 약 3배 증가하고 문턱전압 이하 스윙 값이 약 81% 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 HfO2 절연층을 적용한 MoS2 FET는 차세대 저전력 고성능 반도체 소자 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Among two-dimensional transition-metal dichalcogenides (TMDCs), MoS2 is attracting significant attention as a key channel material for next-generation electronic devices due to its atomic-scale thickness and unique semiconducting properties. The electrical characteristics of field-effect transistors (FETs) are determined by the interface properties between the channel material and the gate dielectric, enabling performance control through interface engineering. In this study, we fabricated back-gate MoS2 FETs and systematically analyzed the impact on device performance by replacing the conventional SiO2 gate dielectric with a high-k material, HfO2. The devices were fabricated by depositing the HfO2 dielectric via atomic layer deposition (ALD) and forming the MoS2 channel using a mechanical exfoliation and dry transfer process. The result revealed that HfO2-based FETs exhibited and a threefold enhancement in field-effect mobility and an ~81% reduction in subthreshold swing relative to devices employing conventional SiO2 dielectrics. These findings suggest that MoS2 FETs incorporating an HfO2 dielectric are promising for the development of next-generation low-power, high-performance semiconductor devices.