단일·다층 MoS₂ 접합의 밴드 오프셋과 광전류 메커니즘 탐구

초록

본 연구는 단일층(1L)과 다층(ML) MoS₂ 사이에 존재하는 에너지 밴드 불연속성을 전기·광학적으로 규명한다. 전류‑전압 특성에서 정류 현상이 관찰되고, 스캔 광전류 현미경(SPCM)으로 측정한 편광 전류는 바이어스에 따라 크게 변한다. 유한 요소 시뮬레이션을 통해 1L‑ML 접합이 타입 II 밴드 정렬을 갖는 것이 실험 결과와 일치함을 확인했으며, 제로 바이어스에서의 광전류는 기존의 광전·광열 효과만으로는 설명되지 않아 핫 캐리어의 기여가 제안된다.

상세 요약

MoS₂는 층수에 따라 직접‑간접 밴드갭 전이가 일어나며, 1L은 약 1.8 eV의 직접 밴드갭을, 다층은 1.2 eV 수준의 간접 밴드갭을 가진다. 이러한 차이는 전자 친화도와 전도대·가전자대 위치에 불연속을 초래해 1L‑ML 경계에서 내재된 이종접합을 형성한다. 논문에서는 금속 전극을 1L과 ML 각각에 배치한 FET 구조를 제작하고, I‑V 측정에서 전극이 서로 다른 층에 연결될 때 명확한 정류 특성이 나타나는 것을 보고하였다. 이는 전자와 정공이 각각 다른 층에서 주된 전송 경로를 갖고, 전계에 의해 선택적으로 이동함을 의미한다.

스캔 광전류 현미경을 이용해 레이저를 접합 부위와 전극 사이에 스캔하면, 바이어스 전압이 가해질 때 접합 근처에서 강한 광전류가 발생한다. 특히 양전압(1L이 양극)에서는 전류가 크게 증가하고, 반대 전압에서는 억제되는 비대칭성이 관찰된다. 이는 타입 II 정렬에서 전자와 정공이 서로 다른 층에 축적되어 전계에 의해 분리·재결합되는 과정과 일치한다.

시뮬레이션에서는 전자 친화도(χ)와 도핑 농도(N_D, N_A)를 변수로 설정하고, 연속 방정식과 포아송 방정식을 풀어 전류‑전압 및 광전류 분포를 계산하였다. χ₁L을 약 4.0 eV, χ_ML을 4.4 eV 정도로 차이 두면 전도대가 1L보다 ML에서 낮아져 전자는 ML 쪽으로, 정공은 1L 쪽으로 이동하는 타입 II 정렬이 구현된다. 이 경우 시뮬레이션 결과가 실험에서 관찰된 정류 I‑V와 바이어스 의존 광전류와 정량적으로 일치한다.

그러나 제로 바이어스에서 측정된 광전류는 전통적인 광전(밴드갭 전자‑정공 쌍 생성)이나 광열전(광전열 구배에 의한 전압) 메커니즘만으로는 설명되지 않는다. 에너지 의존성을 조사한 결과, 광전류는 1.8 eV 근처에서 급격히 증가하지만, 1.2 eV 이하에서도 비정상적인 신호가 남는다. 이는 고에너지 광자에 의해 생성된 ‘핫 캐리어’가 열화되기 전 접합을 가로질러 전하를 전달하는 현상으로 해석될 수 있다. 핫 전자는 전도대 상단에 머무는 시간이 짧지만, 강한 전기장과 밴드 불연속이 존재하는 접합에서는 비열적 전하 이동 경로가 활성화된다. 따라서 제로 바이어스 광전류는 핫 캐리어 주입과 재결합이 복합적으로 작용하는 새로운 메커니즘을 시사한다.

이러한 결과는 2D 전이금속 디칼코게나이드(TMD) 기반 이종접합에서 층수 차이에 의한 밴드 오프셋을 활용한 전자·광학 소자 설계에 중요한 통찰을 제공한다. 특히 핫 캐리어를 이용한 광전 변환 효율 향상 방안이나, 타입 II 정렬을 이용한 전하 분리 구조 구현에 대한 실험적 근거를 마련한다는 점에서 의미가 크다.