KR101175189B1 - Method for manufacturing N-type and P-type chalcogenide material, Doped homojunction chalcogenide thin film transister and method of fabricating the same - Google Patents

Method for manufacturing N-type and P-type chalcogenide material, Doped homojunction chalcogenide thin film transister and method of fabricating the same Download PDF

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Abstract

본 발명의 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 및 그의 제작 방법은, 기판 상에 채널층을 구성하는 n형 칼코제나이드층을 형성하는 단계; n형 칼코제나이드층 상부에 확산 방지층을 형성하고, 확산 방지층을 패터닝하는 단계; 및 n형 칼코제나이드층에 Te합금을 증착하고 확산시켜 소오스 및 드레인 영역을 구성하는 p형 칼코제나이드층 형성하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, n형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재와 p형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재를 이용하여 박막형 트랜지스터를 제작할 수 있게 된다.The chalcogenide thin film transistor of the present invention and a manufacturing method thereof include: forming an n-type chalcogenide layer constituting a channel layer on a substrate; forming a diffusion barrier layer over the n-type chalcogenide layer and patterning the diffusion barrier layer; And depositing and diffusing the Te alloy on the n-type chalcogenide layer to form a p-type chalcogenide layer constituting the source and drain regions. According to the present invention, a thin film transistor can be manufactured using a chalcogenide material having an n-type conductivity and a chalcogenide material having a p-type conductivity.

Description

N형 및 P형 칼코제나이드 소재 제조 방법, 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 및 그의 제작 방법{Method for manufacturing N-type and P-type chalcogenide material, Doped homojunction chalcogenide thin film transister and method of fabricating the same}Method for manufacturing N-type and P-type chalcogenide material, Doped homojunction chalcogenide thin film transister and method of fabricating the same}

본 발명은 n형 및 p형 칼코제나이드 소재를 제조하는 방법, 칼코제나이드 박막 트랜지스터 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, n형 칼코제나이드 소재와 p형 칼코제나이드 소재를 제조하는 방법, n형 칼코제나이드 소재와 p형 칼코제나이드 소재를 이용하여 칼코제나이드 박막 트랜지스터를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing n-type and p-type chalcogenide materials, a chalcogenide thin film transistor, and a method of manufacturing the same. More specifically, a method of manufacturing an n-type chalcogenide material and a p-type chalcogenide material, and a method of manufacturing a chalcogenide thin film transistor using an n-type chalcogenide material and a p-type chalcogenide material will be.

일반적으로, 정보 통신 기술이 발달함에 따라 고속 처리 및 대용량 저장 등의 기술발전도 함계 이루어지고 있다. 정보 저장에서 사용되고 있는 소자로는 CD, DVD로 알려져 있는 광 정보 저장 소자, 및 DRAM 등의 전기 메모리 소자를 들 수 있다. 정보 저장 및 처리 분야에 이용되는 소자들에는 포토 박막 트랜지스터나 CMOS이미지 센서를 들 수 있다. 포토 박막 트랜지스터는 통상적으로 CMOS 공정을 이용하여 제조된다.In general, with the development of information and communication technology, technological developments such as high-speed processing and mass storage are also being made. Elements used in information storage include optical information storage elements known as CDs and DVDs, and electric memory elements such as DRAMs. Devices used in the field of information storage and processing include photo thin film transistors and CMOS image sensors. Photo thin film transistors are typically manufactured using a CMOS process.

주기율표상의 칼코제나이드(CHALCOGENIDE) 계열의 원소를 포함하는 GeTe-Sb2Te3(Ge2Sb2Te5:GST)의 고유한 원소의 성질을 이용하면 상대적으로 높은 효율의 광 전도성을 가지는 저가의 저온공정 광 전도성 박막형 트랜지스터(PHOTO-TFT)를 제작할 수 있다. 또한, 칼코제나이드 계열의 원소를 포함하는 비정질상인 게르마늄 안티몬 텔룰라이드(Ge2Sb2Te5) 물질의 고립 전자쌍 상태(state)에 의한 전하농도와 동일 물질 Ge2Sb2Te5의 텅빈 상태(vacancy state)에 의한 전하농도 차이로 발생하는 전위장벽(potential barrier) 형성원리로 예측되는 다이오드 기능을 이용하여 무도핑 박막형 칼코제나이드 트랜지스터를 제작할 수 있다.The low-cost, low-efficiency optical conductivity is achieved by using the unique element of GeTe-Sb 2 Te 3 (Ge 2 Sb 2 Te 5 : GST), which contains the CHALCOGENIDE series of elements on the periodic table. Low temperature process photoconductive thin film transistor (PHOTO-TFT) can be manufactured. In addition, an empty state of the same concentration of the Ge 2 Sb 2 Te 5 as the charge concentration by the isolated electron pair state of the germanium antimony telluride (Ge 2 Sb 2 Te 5 ) material of the amorphous phase containing an element of the chalcogenide series ( An undoped thin film type chalcogenide transistor may be fabricated using a diode function predicted as a potential barrier formation principle caused by a difference in charge concentration due to a vacancy state.

하지만, 본 발명에서와 같이, 주기율표에 기초한 칼코제나이드 계열의 원소를 포함하는 Ge2Sb2Te5에 산소(O2)를 첨가함에 따라 n형 칼코제나이드 소재와 p형 칼코제나이드 소재를 제조하는 방법, 제조된 n형 칼코제나이드 소재와 p형 칼코제나이드를 이용하여 박막형 트랜지스터를 제작하는 방법에 관해서는 공지된 바가 없었다.However, as in the present invention, by adding oxygen (O 2 ) to Ge 2 Sb 2 Te 5 containing a chalcogenide-based element based on the periodic table, the n-type chalcogenide material and the p-type chalcogenide material are There is no known method for producing a thin film transistor using the manufactured n-type chalcogenide material and p-type chalcogenide.

Ge2Sb2Te5 를 이용하여 연구되어 온 광 정보 저장의 광 기록 소재, 차세대 비휘발성 메모리에 대한 종래기술을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the conventional technology for the optical recording material of the optical information storage, the next generation nonvolatile memory that has been studied using Ge 2 Sb 2 Te 5 as follows.

[종래기술 1][Prior Art 1]

종래기술 1은 Ge2Sb2Te5를 비정질상에서 결정질 상으로 결정질 상에서 비정질 상으로, 어느 정도의 빛을 가해주면 상이 변화하고, 이러한 상 변화의 결과를 이용하면 광학적으로 구성된 광 픽업을 이용하여 광 정보저장에 응용할 수 있는지에 관한 것이다.Prior art 1 changes the phase of Ge 2 Sb 2 Te 5 from amorphous phase to crystalline phase to crystalline phase by applying a certain amount of light. It is about whether it can be applied to information storage.

[종래기술 2][Prior Art 2]

종래기술 2는 Ge2Sb2Te5 계열 상변화 소재를 처음으로 제안한 제안자인 오브신스키(Ovsinsky)에 의해 제안된 것으로서, 상변화를 이용한 비휘발성메모리(PRAM)에 대한 내용으로 상변화 현상을 전기 메모리에 이용한 방법에 관한 것이다. 이 기술은 결정질상이 상호이동하며 나타내는 스위치 현상을 전기 메모리에 적용한 방법으로서 메모리에 관한 것이다.The prior art 2 was proposed by Ovsinsky, the first proposer of the Ge 2 Sb 2 Te 5 series phase change material, and the phase change phenomenon is described in terms of nonvolatile memory (PRAM) using phase change. It relates to a method used for electric memory. This technique relates to memory as a method of applying a switch phenomenon to an electrical memory in which crystalline phases move together.

[종래기술 3][Prior Art 3]

종래기술 3은 Ge2Sb2Te5를 이용하여 전기 메모리 트랜지스터를 제작하여 특성을 측정한 결과를 발표한 논문에 관한 것이다. 기본적으로 전술한 종래기술 1과 종래기술 2서 취한 상변화 메커니즘을 이용한 방법에 해당되며, 결정질상 또는 비정질상으로 상태를 상호 이동하며 나타내는 스위칭 현상을 메모리와 TFT에 적용한 것이다.The prior art 3 relates to a paper announcing the results of measuring characteristics by fabricating an electric memory transistor using Ge 2 Sb 2 Te 5 . Basically, it corresponds to the method using the phase change mechanism taken in the above-described prior art 1 and the prior art 2, and applies a switching phenomenon to the memory and the TFT, which is shown by moving states in a crystalline or amorphous phase.

칼코제나이드 소재는 원자 구조의 고유한 특성으로 인하여 전형적인 p형 전 도도를 가지는 소재로 알려져 있다. p형 전도도를 나타내게 하는 주요한 요인은 밴드 갭 내의 텅빈 상태(vacancy state)에 의하여 발생되는 것으로 알려져 있으며 이러한 원자구조의 고유한 특성으로 인하여 현재까지 n형 칼코제나이드 소재가 개발된 바 없었다.Chalcogenide materials are known to have typical p-type conductivity due to the inherent properties of their atomic structure. It is known that the main cause of the p-type conductivity is caused by the vacancy state in the band gap. Due to the unique characteristics of the atomic structure, no n-type chalcogenide material has been developed until now.

도 1은 일반적인 CMOS 공정을 이용하여 제조되는 포토 박막 트랜지스터의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다. 실제 CMOS 공정을 통해 제조되는 포토 박막 트랜지스터의 구조는 더 복잡하다.1 is a conceptual diagram schematically illustrating a structure of a photo thin film transistor manufactured using a general CMOS process. The structure of the photo thin film transistor manufactured by the actual CMOS process is more complicated.

도 1을 참고하면, 불순물이 도핑된 실리콘 기판(100)위에 비정질상의 실리콘막(110)이 형성되어 있다. 비정질상의 실리콘막(110)의 양측에는 오믹 콘택(omic contact)를 좋게 하기 위한 소오스(source) 및 드레인(drain) 오믹 콘택부(120)가 형성되어 있다. 오믹 콘택부(120)는 비정질상의 실리콘막(110)의 일부에 불순물을 이온주입하여 형성한다. 소오스 및 드레인 오믹 콘택부(120)에는 각각 소오스 전극(140) 및 드레인 전극(150)이 형성되어 있다. 비정질상의 실리콘막(110), 오믹 콘택부(120), 소오스 전극(140) 및 드레인 전극(150) 상에 게이트 절연막(130)이 형성되어 있다. 게이트 절연막(130)은 산화막을 이용하여 형성한다. 게이트 절연막 상(130)에는 게이트 전극을 금속막(160)을 이용하여 형성한다.Referring to FIG. 1, an amorphous silicon film 110 is formed on a silicon substrate 100 doped with impurities. Source and drain ohmic contact portions 120 are formed on both sides of the amorphous silicon film 110 to improve ohmic contact. The ohmic contact part 120 is formed by implanting impurities into a portion of the amorphous silicon film 110. The source electrode 140 and the drain electrode 150 are formed in the source and drain ohmic contact part 120, respectively. The gate insulating layer 130 is formed on the amorphous silicon film 110, the ohmic contact portion 120, the source electrode 140, and the drain electrode 150. The gate insulating film 130 is formed using an oxide film. A gate electrode is formed on the gate insulating layer 130 using the metal layer 160.

이러한 구조를 갖는 종래 포토 박막 트랜지스터를 제작하기 위해서는 고온(예컨대, 500℃~1000℃) 공정을 요구한다. 특히, 도 1의 CMOS 공정을 이용하여 제조되는 박막 트랜지스터는 고가의 실리콘 기판을 사용하여야 하고, 오믹 콘택부를 형성하기 위한 이온 주입 공정을 절대적으로 필요로 한다. 또는 수소화되고 도핑된 오믹 콘택부분을 절대적으로 필요로 한다. In order to manufacture a conventional photo thin film transistor having such a structure, a high temperature (eg, 500 ° C. to 1000 ° C.) process is required. In particular, the thin film transistor manufactured by using the CMOS process of FIG. 1 must use an expensive silicon substrate and absolutely requires an ion implantation process for forming an ohmic contact portion. Or absolutely requires hydrogenated and doped ohmic contact portions.

현재 TFT-LCD 디스플레이 및 혹은 모바일 폰 등에 이용되고 있는 TFT는 대부분 도 1과 같은 구조로 이루어져 있다.Currently, TFTs used in TFT-LCD displays and / or mobile phones have the same structure as in FIG. 1.

칼코제나이드 소재의 경우 도 1의 참조부호 110의 층을 채널 층으로 활용하기 위해서는 먼저 TFT의 채널 층이 n형 소재이거나 p형 소재이어야하고 참조부호 120의 오믹 콘택부가 반대로 p형 이거나 n형 이어야 한다. 이러한 구조가 가장 좋은 트랜지스터의 전형적인 구조로 알려져 있다.In the case of chalcogenide material, in order to utilize the layer of reference numeral 110 of FIG. do. This structure is known as the typical structure of the best transistor.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서,The present invention is designed to solve the above problems,

본 발명은 정보저장 분야에서 활발하게 사용되거나 차세대 소자로 사용될 수 있는 칼코제나이드 소재를 이용하여 n형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재와 p형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재를 개발하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to develop a chalcogenide material having an n-type conductivity and a chalcogenide material having a p-type conductivity by using a chalcogenide material that can be actively used in the information storage field or used as a next-generation device. .

또한, 본 발명은 개발된 n형 전도도 소재와 p형 전도도 소재를 이용하여 높은 온/오프 비율을 가지는 고효율의 칼코제나이드 박막형 트랜지스터를 제작하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to manufacture a highly efficient chalcogenide thin film transistor having a high on / off ratio by using the developed n-type and p-type conductivity material.

본 발명에 따른 n형 칼코제나이드 소재 제조 방법은, 칼코제나이드 소재를 타겟으로 배치하는 단계; 및 칼코제나이드 소재를 기판 상에 증착하기 위해 증착 챔버(chamber)에 아르곤(Ar) 가스와 산소(O2) 가스를 주입하는 단계를 포함한다.The n-type chalcogenide material manufacturing method according to the present invention comprises the steps of: placing a chalcogenide material as a target; And injecting argon (Ar) gas and oxygen (O 2 ) gas into the deposition chamber to deposit the chalcogenide material on the substrate.

특히, 칼코제나이드 소재는 Ge2Sb2Te5인 것을 특징으로 한다.In particular, the chalcogenide material is characterized in that the Ge 2 Sb 2 Te 5 .

한편, 본 발명의 n형 칼코제나이드 소재 제조 방법은, n형 칼코제나이드 소재에 Te합금을 증착하는 단계; 및 Te합금이 증착된 n형 칼코제나이드 소재를 확산시키는 단계를 포함한다.On the other hand, n-type chalcogenide material manufacturing method of the present invention, the step of depositing a Te alloy on the n-type chalcogenide material; And diffusing the n-type chalcogenide material on which the Te alloy is deposited.

특히, Te합금은 GeTe, SbTe, Te로 이루어진 군에서 선택되는 하나인 것을 특 징으로 한다.In particular, Te alloy is characterized in that the one selected from the group consisting of GeTe, SbTe, Te.

또한, Te합금이 증착된 n형 칼코제나이드 소재를 확산시키는 단계는, Te합금이 증착된 n형 칼코제나이드 소재에 열 에너지를 가하여 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the step of diffusing the n-type chalcogenide material on which Te alloy is deposited is characterized in that it is performed by applying thermal energy to the n-type chalcogenide material on which Te alloy is deposited.

한편, 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 제작 방법은, 기판 상에 채널층을 구성하는 n형 칼코제나이드층을 형성하는 단계; n형 칼코제나이드층 상부에 확산 방지층을 형성하고, 확산 방지층을 패터닝하는 단계; 및 n형 칼코제나이드층에 Te합금을 증착하고 확산시켜 소오스 및 드레인 영역을 구성하는 p형 칼코제나이드층을 형성하는 단계를 포함한다.On the other hand, chalcogenide thin film transistor manufacturing method, the step of forming an n-type chalcogenide layer constituting a channel layer on the substrate; forming a diffusion barrier layer over the n-type chalcogenide layer and patterning the diffusion barrier layer; And depositing and diffusing the Te alloy on the n-type chalcogenide layer to form a p-type chalcogenide layer constituting the source and drain regions.

특히, 기판은 유리 기판, 플라스틱 기판, 폴리이미드 기판, 비닐 기판 중 하나인 것을 특징으로 한다.In particular, the substrate is characterized in that one of a glass substrate, a plastic substrate, a polyimide substrate, a vinyl substrate.

또한, 칼코제나이드층은 Ge2Sb2Te5층으로 형성하는 것을 특징으로 한다.The chalcogenide layer may be formed of a Ge 2 Sb 2 Te 5 layer.

또한, 채널층을 구성하는 n형 칼코제나이드층의 하부에 게이트 절연층을 개재하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 더 포함한다.The method may further include forming a gate electrode through the gate insulating layer under the n-type chalcogenide layer constituting the channel layer.

또한, 게이트 절연층은 유기물인 고분자 PMMA막인 것을 특징으로 한다.The gate insulating layer may be a polymer PMMA film which is an organic material.

또한, 게이트 절연층은 PECVD방법으로 형성된 실리콘 산화막인 것을 특징으로 한다.In addition, the gate insulating layer is characterized in that the silicon oxide film formed by the PECVD method.

한편, 본 발명의 박막형 트랜지스터는, 채널층을 구성하며 제 1형 전도도를 갖는 칼코제나이드층; 제 1형 전도도를 갖는 칼코제나이드층의 양측부에 각각 형성되어 소오스 및 드레인 영역을 구성하며 제 2형 전도도를 갖는 칼코제나이드층; 및 소오스 및 드레인 영역을 구성하며 제 2형 전도도를 갖는 칼코제나이드층에 연결된 소오스 전극 및 드레인 전극을 구비한다. On the other hand, the thin film transistor of the present invention comprises a chalcogenide layer constituting a channel layer and having a first type conductivity; A chalcogenide layer formed on both sides of the chalcogenide layer having a first type conductivity to form a source and a drain region, and having a second type conductivity; And a source electrode and a drain electrode constituting the source and drain regions and connected to the chalcogenide layer having the second type conductivity.

특히, 채널층과 소오스 및 드레인 영역을 구성하는 칼코제나이드층은 Ge2Sb2Te5층인 것을 특징으로 한다.In particular, the chalcogenide layer constituting the channel layer and the source and drain regions is a Ge 2 Sb 2 Te 5 layer.

또한, 제 1형 전도도를 갖는 칼코제나이드층의 하부에 게이트 절연층을 개재하여 형성된 게이트 전극를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, a gate electrode formed through the gate insulating layer below the chalcogenide layer having the first conductivity may be further provided.

또한, 게이트 절연층은 유기물인 고분자 PMMA막인 것을 특징으로 하다.The gate insulating layer may be a polymer PMMA film which is an organic material.

또한, 게이트 절연층은 PECVD방법으로 형성된 실리콘 산화막인 것을 특징으로 한다.In addition, the gate insulating layer is characterized in that the silicon oxide film formed by the PECVD method.

또한, 제 1형 전도도를 갖는 칼코제나이드층의 상부에는 확산 방지층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, a diffusion barrier layer is formed on the chalcogenide layer having the first conductivity.

또한, 채널층은 n형이고, 상기 소오스 및 드레인 영역은 p형인 것을 특징으로 한다.The channel layer is n-type, and the source and drain regions are p-type.

또한, 채널층은 p형이고, 상기 소오스 및 드레인 영역은 n형인 것을 특징으로 한다.The channel layer is p-type, and the source and drain regions are n-type.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.The present invention has the following effects.

칼코제나이드 소재를 이용하여 n형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재와 p형 전도도 칼코제나이드 소재를 제조하는 방법과, 제조된 n형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재와 p형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재를 이용하여 박막형 트랜지스터를 제작할 수 있게 된다.A method of preparing a chalcogenide material and a p-type conductivity chalcogenide material using a chalcogenide material and a chalcogenide material having a n-type conductivity and a chalcogenide having a p-type conductivity Thin film transistors can be manufactured using materials.

또한, 본 발명에 따른 박막형 트랜지스터는 저온공정으로 제작이 가능할 뿐만 아니라 플라스틱 기판 상에서도 공정이 가능하고 이온 주입이 필요하지 않아 저가격으로 구현할 수 있는 이점이 있다.In addition, the thin film transistor according to the present invention is not only can be manufactured in a low temperature process, but also can be processed on a plastic substrate, and there is an advantage that it can be implemented at low cost because no ion implantation is required.

또한, 큰 이동도(mobilty)를 가지고 있어 향후 센서 혹은 플라스틱 기판 상의 로직 소자 제작도 가능할 것으로 예상된다.In addition, it has a high mobility and it is expected that logic devices on a sensor or plastic substrate can be manufactured in the future.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다. 도면에서 막(층) 또는 영역들의 크기 및 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, a repeated description, a known function that may obscure the gist of the present invention, and a detailed description of the configuration will be omitted. Embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shapes and sizes of the elements in the drawings and the like can be exaggerated for clarity. In the drawings, the size and thickness of films (layers) or regions are exaggerated for clarity.

본 발명에서는 정보 저장 분야에서 활발하게 혹은 차세대 비휘발성 메모리 소자의 소재로 사용될 수 있는 칼코제나이드(CHALCOGENIDE)층을 이용한다. 칼코제나이드층의 예로는, GeTe-Sb2Te3층(Ge2Sb2Te5, 이하 'GST층' 칭함)을 이용한다. GST층을 칼코제나이드층의 예로 들었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.The present invention utilizes a CHALCOGENIDE layer that can be actively used in the information storage field or as a material for next generation nonvolatile memory devices. As an example of the chalcogenide layer, a GeTe-Sb 2 Te 3 layer (Ge 2 Sb 2 Te 5 , hereinafter referred to as a 'GST layer') is used. Although the GST layer is exemplified as a chalcogenide layer, the present invention is not limited thereto.

본 발명에 이용되는 칼코게나이드층은 높은 효율의 광전도성을 가져 광 박막 트랜지스터(Photo TFT)의 광전도층으로 이용할 수 있다. 더하여, 본 발명의 칼코게나이드층은 레이저 혹은 열에너지에 의해 비정질상(Amorphous)에서 결정질상(Crystalline) 또는 결정질상에서 비정질상으로의 상변화가 가능하다.The chalcogenide layer used in the present invention has high efficiency photoconductivity and can be used as a photoconductive layer of an optical thin film transistor (Photo TFT). In addition, the chalcogenide layer of the present invention can change the phase from the amorphous phase to the crystalline phase or the crystalline phase to the amorphous phase by laser or thermal energy.

물론, 본 발명의 박막 트랜지스터는 유리 기판 상에 저가 및 저온 공정으로 형성할 수 있다.Of course, the thin film transistor of the present invention can be formed on a glass substrate in a low cost and low temperature process.

칼코게나이드층은 원자 구조가 갖는 고유한 특성으로 인해 p형 반도체만이 가능하다. p형의 다수 전하는 비정질상에서는 고립전자쌍 상태(Lone pair electron state)에 의해 좌우된다. 비정질상의 칼코게나이드층은 고립전자쌍 상태로 인해 p형 반도체 특성을 나타낸다. 비정질상의 칼코게나이드층의 페르미 레벨(Fermi Level, Ef)은 진성 레벨(intrinsic level, Ei)에 가까운 p형 반도체 형태이고, 진성 레벨(Ei)과 페르미 레벨(Ef)간의 전하 농도차(캐리어 농도차)는 Φp2로써 작은 값을 갖는다. 비정질상의 칼코게나이드층의 가전자대(Ev) 및 전도대(Ec)간의 밴드 갭(Egp2)은 0.7eV이다. 그리고, 결정질상의 칼코게나이드층의 경우 비정질상에서의 고립전자쌍 상태는 사라지며 주기적인 결정상 원자구조에서 발생하는 텅빈 상태(vacancy state)에 의해 발생하는 다수 전하에 의해 p형 반도체 특성을 나타낸 다.Chalcogenide layers are only possible for p-type semiconductors due to the inherent properties of their atomic structure. The majority of p-type charges in the amorphous phase are governed by the lone pair electron state. The amorphous chalcogenide layer exhibits p-type semiconductor characteristics due to the lone electron pair state. The Fermi Level (Ef) of the amorphous chalcogenide layer is in the form of a p-type semiconductor close to the intrinsic level (Ei), and the difference in charge concentration (carrier concentration) between the intrinsic level (Ei) and the Fermi level (Ef) Difference) is Φ p2 and has a small value. The band gap (Egp2) between the valence band (Ev) and the conduction band (Ec) of the amorphous chalcogenide layer is 0.7 eV. In the crystalline chalcogenide layer, the lone electron pair state in the amorphous phase disappears and the p-type semiconductor characteristics are exhibited by a large number of charges generated by a vacancy state occurring in the periodic crystalline atomic structure.

따라서, 칼코제나이드 소재는 전술한 기본적인 원자구조의 결함으로 인해 도핑(dopping) 방법에 의해서는 n형 칼코제나이드 소재가 개발된 적이 없었다. Accordingly, the n-type chalcogenide material has never been developed by the doping method due to the defect of the basic atomic structure described above.

본 발명에서는 이러한 결함을 가지는, 즉, p형 반도체 특성을 나타내는 칼코제나이드 소재(이하, 'p형 칼코제나이드 소재')에 산소를 주입함으로써 n형 반도체 특성을 나타내는 칼코제나이드 소재(이하, 'n형 칼코제나이드 소재')를 개발 수 있는 방법을 제시한다.In the present invention, the chalcogenide material exhibiting the n-type semiconductor characteristics (hereinafter, 'n-type chalcogenide material').

먼저, 기판 상에 칼코제나이드 소재(예컨대, GST)를 증착한다. 증착에 사용된 장비는 스퍼터(예컨대, RF Magnetron Sputter) 장비로써 전형적으로 칼코제나이드 소재를 증착할 때 사용하는 장비이다. 스퍼터(sputter) 외에 열 증착 장치도 가능하다.First, a chalcogenide material (eg, GST) is deposited on a substrate. The equipment used for deposition is a sputter (eg, RF Magnetron Sputter) equipment, which is typically used to deposit chalcogenide materials. In addition to sputtering, a thermal evaporation apparatus is also possible.

스퍼터를 이용하여 칼코제나이드 소재인 GST를 Co-Sputter 혹은 단일 타겟으로 증착하는 조건을 찾는다. 이때 사용하는 플라즈마 가스로는 아르곤(Ar) 가스를 이용한다. 전술한 과정은 일반적으로 칼코제나이드 소재를 증착할때 사용하는 방법이다.Sputter is used to find the conditions for depositing a chalcogenide material, GST, as a co-sputter or a single target. At this time, argon (Ar) gas is used as the plasma gas. The above process is generally a method used when depositing a chalcogenide material.

도 2는 전술한 방법에 따라 일반적으로 증착한 칼코제나이드 소재의 투과 특성을 나타낸 그래프이다. 2 is a graph showing the transmission characteristics of the chalcogenide material generally deposited according to the above-described method.

비정질상의 칼코제나이드의 경우 밴드 갭(band gap)이 0.7eV(파장 약 1700nm 대역)으로 도 2에 도시된 바와 같다. 이렇게 증착된 비정질상의 칼코제나이드를 결정화하면 밴드 갭이 약 0.5eV가 되어 광 투과 곡선이 장파장으로 옮겨가는 곡선이 된다. In the case of amorphous chalcogenide, the band gap is 0.7 eV (wavelength of about 1700 nm band) as shown in FIG. 2. When the amorphous chalcogenide deposited is crystallized in this way, the band gap becomes about 0.5 eV, and the light transmission curve is a curve in which the long wavelength is shifted.

이하에서는, n 형 칼코제나이드 소재를 제조하는 과정에 대해서 설명기로한다.Below, the process of manufacturing an n-type chalcogenide raw material is demonstrated.

먼저, n 형 칼코제나이드 소재를 제작하기 위해서는 도 3과 같이 비정질상의 칼코제나이드를 제조할 때 증착 챔버(chamber)에 산소를 첨가하면 된다. First, in order to fabricate an n-type chalcogenide material, oxygen may be added to a deposition chamber when manufacturing an amorphous chalcogenide as shown in FIG. 3.

보다 상세하게는, 칼코제나이드 소재를 타겟(target)으로 배치한다. 그리고, 증착 챔버에 아르곤 가스 외에 산소 가스를 동시에 주입한다. 그러면, 주입된 산소 가스의 일부가 증착되는 칼코제나이드 박막에 주입되고, 주입된 산소에 의해 n 형 칼코제나이드 소재가 형성된다. 즉, 아르곤 가스와 산소 가스가 주입이 완료되면, 아르곤 가스와 산소 가스의 혼합물이 이온화되도록 고주파 에너지가 스퍼터 건(도시 생략)에 공급되고, 이로 인해 플라즈마(plasma)가 발생된다.More specifically, the chalcogenide material is placed as a target. And oxygen gas other than argon gas is simultaneously injected into a vapor deposition chamber. Then, a portion of the injected oxygen gas is injected into the deposited chalcogenide thin film, and an n-type chalcogenide material is formed by the injected oxygen. That is, when the injection of argon gas and oxygen gas is completed, high frequency energy is supplied to a sputter gun (not shown) so that the mixture of argon gas and oxygen gas is ionized, thereby generating plasma.

발생된 플라즈마 내에 이온화된 아르곤과 산소 이온들은 타겟에 충돌하여 타겟 물질을 스퍼터링하고, 그 결과 칼코제나이드 소재가 기판 상에 증착된다. Argon and oxygen ions ionized in the generated plasma impinge on the target and sputter the target material, resulting in the deposition of chalcogenide material on the substrate.

스퍼터를 이용하여 칼코제나이드 소재를 증착할 때 플라즈마 형성을 위해 아르곤 가스를 주입할 때 n 형 칼코제나이드 소재 증착을 위해 산소 가스를 아르곤 가스 주입과 동시에 주입하며 증착한다. 이때 주입되는 산소 가스의 양과 아르곤 가스의 주입량의 비율을 변화시켜가며 증착할 수 있다.When the chalcogenide material is deposited using a sputter, when argon gas is injected to form plasma, oxygen gas is injected and injected simultaneously with the argon gas injection for n-type chalcogenide material deposition. At this time, it can be deposited while varying the ratio of the amount of oxygen gas injected and the amount of argon gas injected.

본 발명에서 사용된 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 비율을 각각 0.1, 0.25, 0.35, 0.5의 비로 하여 산소 가스와 아르곤 가스를 스퍼터에 주입하였다(예를 들어, 산소 주입량 2sccm/아르곤 주입량 20sccm = 0.1). 이때 증착되는 n 형 칼코제나이드 소재의 두께는 증착하는 시간으로 조절한다.Oxygen gas and argon gas were injected into the sputter at a ratio of the amount of oxygen gas / argon gas used in the present invention at a ratio of 0.1, 0.25, 0.35, and 0.5, respectively (for example, an oxygen injection amount of 2 sccm / argon injection amount of 20 sccm = 0.1). ). At this time, the thickness of the n-type chalcogenide material to be deposited is controlled by the deposition time.

산소 도핑하여 증착된 칼코제나이드 소재는 XRD(X-Ray Diffraction) 측정으로 비정질상임을 알 수 있다.The chalcogenide material deposited by oxygen doping may be determined to be amorphous by X-ray diffraction (XRD) measurement.

도 4는 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 비율을 각각 0.1, 0.25, 0.35, 0.5의 비로 하여 산소 가스와 아르곤 가스를 스퍼터에 주입하였을 때 달라지는 칼코제나이드 소재의 광 투과 곡선을 측정한 결과이다. 산소의 투입량이 점점 많아 짐에 따라 밴드 갭이 단파장으로 옮겨감을 알 수 있다. 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율이 0.1일 때 밴드갭 에너지는 파장으로 약 1300nm 대역, 0.2인 경우 약 1200nm, 0.35 인 경우 약 1100nm, 0.5인 경우 약 1000nm 정도로 이동함을 알 수 있다.4 is a result of measuring the light transmission curve of the chalcogenide material changed when the oxygen gas and the argon gas are injected into the sputter with the ratio of the amount of oxygen gas / argon gas being 0.1, 0.25, 0.35, and 0.5, respectively. As the oxygen input amount increases, the band gap shifts to the shorter wavelength. When the injection ratio of the amount of oxygen gas / argon gas is 0.1, the bandgap energy is about 1300 nm in wavelength, about 1200 nm for 0.2, about 1100 nm for 0.35, and about 1000 nm for 0.5.

도 4에서 광 투과 곡선이 장파장에서(1400nm 이후) 굴곡이 발생하는 이유는 빛의 간섭에 의해 나타나는 전형적인 현상으로 밴드 갭 예측에는 큰 의미가 없다. In FIG. 4, the reason why the light transmission curve is curved at a long wavelength (after 1400 nm) is a typical phenomenon caused by interference of light, which is not significant for band gap prediction.

산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율을 다르게 하여 제작한 칼코제나이드 소재의 전도도가 n 형인지 p 형인지 알아보기 위해서 각각의 소재에 대해 홀 효과(Hall Effect)를 측정하였다. The Hall Effect was measured for each material to determine whether the conductivity of the chalcogenide material produced by varying the injection ratio of oxygen gas / argon gas was n-type or p-type.

표 1에 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율을 다르게 하여 제작한 칼코제나이드 소재의 홀 효과를 측정한 결과를 정리한 것이다. 홀 효과를 통해 다수 캐리어의 종류, 캐리어의 농도, 이동도 등을 알 수 있다. Table 1 summarizes the results of measuring the Hall effect of the chalcogenide material produced by varying the injection ratio of the amount of oxygen gas / argon gas. Through the Hall effect, the types of carriers, the concentration of carriers, and the mobility can be known.

산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율Injection rate of oxygen gas volume / argon gas volume 캐리어 농도( /cm^2 )Carrier Concentration (/ cm ^ 2 ) 0.10.1 -1.2e15-1.2e15 0.250.25 -6.99e14-6.99e14 0.350.35 -5.5e14-5.5e14

표 1을 살펴보면, 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율이 0.1에서 0.35까지는 산소 주입량에 관계없이 n형 칼코제나이드 소재가 형성됨을 알 수 있다. Looking at Table 1, it can be seen that the n-type chalcogenide material is formed regardless of the oxygen injection amount of the oxygen gas amount / argon gas amount of 0.1 to 0.35.

산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율이 0.35이후 에서도 n형 소재가 될 것으로 예측되지만 산소의 양이 너무 많은 경우에는 산화물로 비정질상이 되어 홀 측정으로는 어떤(예컨대, n 형 또는 p 형) 전도도를 갖는 소재가 되는지 알 수 없다.It is expected to be n-type material even after the injection ratio of oxygen gas / argon gas is 0.35, but if the amount of oxygen is too high, it becomes an amorphous phase with an oxide, and any (eg n-type or p-type) conductivity is measured by hole measurement. It is not known whether the material has a.

도 5는 도 4와 같이 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율을 각각 다르게 하여 제작한 칼코제나이드 소재를 열처리하여 달라지는 밴드 갭을 광 투과 곡선에서 측정한 그래프이다. 도 5에서는 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율을 각각 0.25, 0.35, 0.5인 경우를 도시하였다. FIG. 5 is a graph illustrating a band gap that is changed by heat treatment of a chalcogenide material manufactured by varying an injection ratio of an oxygen gas amount / argon gas amount as shown in FIG. 4 in a light transmission curve. In FIG. 5, the injection ratios of oxygen gas amount / argon gas amount are 0.25, 0.35, and 0.5, respectively.

열처리하면 시료는 비정질상에서 결정질상으로 변화한다. 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율이 0.1인 경우는 밴드 갭이 약 파장으로 1700nm대역이었으며 0.25, 0.35, 0.5인 경우에는 모두 밴드 갭 대역이 파장으로 1700nm 대역으로 이동하였다. After heat treatment, the sample changes from an amorphous phase to a crystalline phase. When the injection ratio of oxygen gas amount / argon gas amount was 0.1, the band gap was about 1700 nm in the wavelength band, and in the case of 0.25, 0.35, and 0.5, the band gap band was shifted to the 1700 nm band in wavelength.

결국 산소를 도핑한 칼코제나이드 박막은 열처리하면 비정질상에서 결정질상으로 상변화하면서 밴드 갭이 줄어드는 현상을 보인다. 이러한 결과는 일반적으로 산소를 도핑(dopping)하지 않은 칼코제나이드 소재가 보이는 비정질상에서 결정질상으로 상변화함에 따라 밴드 갭이 0.7eV에서 0.5eV로 변화하는 모습과 같다. Eventually, the oxygen-doped chalcogenide thin film shows a phenomenon in which the band gap decreases as the phase transitions from the amorphous phase to the crystalline phase. These results are generally the same as the band gap changes from 0.7 eV to 0.5 eV as the phase changes from the amorphous phase to the crystalline phase in which the chalcogenide material without oxygen doping is seen.

그러나, 산소 도핑된 칼코제나이드 박막의 경우, 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율이 0.1~0.5까지 일 때 밴드 갭은 초기 비정질상 1.0eV~1.2eV 에서 결정질상으로 상변화하면 밴드 갭 이 약 0.7eV까지 이동하는 점은 차이가 있다.However, in the case of oxygen doped chalcogenide thin films, when the injection ratio of oxygen gas / argon gas amount is from 0.1 to 0.5, the band gap becomes weak when the phase gap changes from the initial amorphous phase of 1.0 eV to 1.2 eV to the crystalline phase. The difference is that it moves to 0.7 eV.

이하에서는, p 형 칼코제나이드 소재를 제조하는 과정에 대해서 설명기로 한다.Hereinafter, the process of manufacturing a p-type chalcogenide raw material is demonstrated.

도 3에 도시된 바와 같이, p 형 칼코제나이드 소재를 제조하기 위해서는 산소가 주입된 칼코제나이드 박막(소재)에 GeTe, SbTe, Te 중 하나 이상의 Te합금을 증착하고 열처리하여 확산(diffusion)시키면 된다.As shown in FIG. 3, in order to manufacture a p-type chalcogenide material, when a Te alloy of at least one of GeTe, SbTe, and Te is deposited on an oxygen-infused chalcogenide thin film (material), and heat-treated, the diffusion is diffused. do.

칼코제나이드 소재가 p 형 전도도를 나타내는 이유로 텅빈 상태임을 언급한바 있다, 따라서, 텅빈 상태를 발생시키는 주요 인자인 Te 칼코젠 원소를 주입하면 p 형 전도도 소재로 바뀔 확률이 높다. It has been mentioned that the chalcogenide material is empty because it exhibits p-type conductivity. Therefore, it is highly likely that the chalcogenide material is converted to the p-type conductivity material by injecting the Te chalcogen element, which is the main factor that causes the empty state.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 GeTe를 주입하는 방식으로 산소가 주입된 칼코제나이드 소재를 n 형 전도도 소재에서 p 형 전도도 소재로 바꾼다. 주입하는 방식은 증착된 산소 도핑된 칼코제나이드 소재에 GeTe를 증착, 열처리하여 확산(diffusion)시키는 방법을 선택하였다. 확산하는 열처리 온도는 일반적으로 칼코제나이드가 비정질상에서 결정상으로 상이 변화하는 온도에서 약 한 1시간 정도 열처리하면 된다.Accordingly, in the embodiment of the present invention, the chalcogenide material injected with oxygen is changed from an n-type conductivity material to a p-type conductivity material by injecting GeTe. As the injection method, GeTe was deposited on a deposited oxygen-doped chalcogenide material, heat treated, and a method of diffusion was selected. Generally, the heat treatment temperature to be diffused may be heat treated for about one hour at a temperature at which the chalcogenide phase changes from an amorphous phase to a crystalline phase.

표 2는 산소 도핑된 n 형 칼코제나이드 소재에 어느 정도의 두께로 GeTe를 증착하면 n 형 칼코제나이드 소재에서 p 형 칼코제나이드 소재로 변화되는지를 나타낸다. 여기서 GSTO는 산소 가스 양/아르곤 가스 양의 주입 비율 0.1인 n형 칼코제나이드 소재를 나타낸다.Table 2 shows how the thickness of GeTe deposited on the oxygen-doped n-type chalcogenide material changes from the n-type chalcogenide material to the p-type chalcogenide material. GSTO is an n-type chalcogenide material in which the injection ratio of oxygen gas amount / argon gas amount is 0.1.

구조rescue 형태shape 캐리어 농도(/cm^2)Carrier Concentration (/ cm ^ 2) GeTe/GSTO = 0.1GeTe / GSTO = 0.1 N형N type -1.49e15-1.49e15 GeTe/GSTO = 0.2 GeTe / GSTO = 0.2 N형N type -3.7e14-3.7e14 GeTe/GSTO = 0.3 GeTe / GSTO = 0.3 P형P type +2.3e16+ 2.3e16

도 6은 표 2에 따라 제작된 p형 칼코제나이드 소재를 확산시키고 열처리하기 전의 또 다른 광 투과 곡선이다. 이는 왼쪽 1000~1500nm 사이의 광 투과 곡선이 확산시키기 전의 광 투과 곡선이다. 도 6의 Norm AS21, Norm AS20, Norm AS19는 열처리하기전에 산소가 첨가된 N형 반도체의 광투과율이며 도 6의 Norm Ann21, Norm Ann20, Norm Ann19는 열처리한 후의 광투과율을 나타낸 곡선이다.Figure 6 is another light transmission curve before the diffusion and heat treatment of the p-type chalcogenide material prepared according to Table 2. This is the light transmission curve before the light transmission curve between the left 1000 nm and 1500 nm is diffused. Norm AS21, Norm AS20 and Norm AS19 of FIG. 6 are light transmittances of an N-type semiconductor to which oxygen is added before heat treatment, and Norm Ann21, Norm Ann20 and Norm Ann19 of FIG. 6 are light transmittances after heat treatment.

도 7은 표 2의 방법에 따라 제작된 p형 칼코제나이드 소재를 열처리하여 확산시킨 후의 광 투과 곡선이다(1700n로 이동한 오른쪽 곡선들). 7 is a light transmission curve after heat treatment is performed by diffusing a p-type chalcogenide material prepared according to the method of Table 2 (right curves moved to 1700n).

GeTe를 확산시킨 p형 칼코제나이드 소재의 광 투과 곡선은 초기 산소 도핑된 n 형 칼코제나이드 소재의 광 투과 곡선에서 크게 변화하지 않을 정도로 도핑되었음을 확인할 수 있다.It can be seen that the light transmission curve of the p-type chalcogenide material in which GeTe is diffused is doped so as not to change significantly from the initial oxygen-doped n-type chalcogenide material.

이상에서 n 형 칼코제나이드 소재와 p 형 칼코제나이드 소재를 제작하는 방법에 대해 언급하였다. 이하에서는, 전술한 과정을 통해 제작된 n 형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재와 p 형 전도도를 갖는 칼코제나이드 소재를 이용하여 칼코제나이드 트랜지스터를 제작하는 과정에 대해 자세하게 설명하기로 한다.In the above, a method of manufacturing an n-type chalcogenide material and a p-type chalcogenide material was mentioned. Hereinafter, a process of fabricating a chalcogenide transistor using a chalcogenide material having an n-type conductivity and a chalcogenide material having a p-type conductivity manufactured through the above-described process will be described in detail.

도 8 내지 도 18은 n 형 칼코제나이드와 p 형 칼코제나이드를 이용하여 온/오프(on/off) 비율이 개선된 트랜지스터 소자를 제작하는 공정순서를 설명하기 위한 도면이다.8 to 18 are diagrams for explaining a process sequence for fabricating a transistor device having an improved on / off ratio using n-type chalcogenide and p-type chalcogenide.

구체적으로, 기판(200), 예컨대 유리 기판 상에 게이트 전극용 금속층(202)를 형성한다(도 8). 게이트 전극용 금속층(202)는 스퍼터링 방법을 이용하여 기판(200) 상에 형성한다. 게이트 전극용 금속층(202)은, 예컨대 금층, 알루미늄층 또는 크롬층으로 구성된다. 게이트 전극용 금속층(202)을 포토리소그래피 공정으로 패터닝하여 게이트 전극(204)를 형성한다. 이에 따라, 하부 게이트 형태의 게이트 전극(204)이 완성된다(도 9). 게이트 전극(204)은 후술할 칼코제나이드층(208)에 흐르는 광전류를 온/오프 시키는 역할을 수행한다. Specifically, the metal layer 202 for a gate electrode is formed on the board | substrate 200, for example, a glass substrate (FIG. 8). The gate electrode metal layer 202 is formed on the substrate 200 by using a sputtering method. The gate electrode metal layer 202 is composed of, for example, a gold layer, an aluminum layer, or a chromium layer. The gate electrode metal layer 202 is patterned by a photolithography process to form the gate electrode 204. Thus, the gate electrode 204 in the form of a lower gate is completed (Fig. 9). The gate electrode 204 serves to turn on / off a photocurrent flowing in the chalcogenide layer 208 to be described later.

한편, 도 9에서는, 게이트 절연층(206) 및 게이트 전극(204)을 칼코제나이드층(208)의 하부에 형성되는 하부 게이트 형태로 구성하였지만, 게이트 절연층(206) 및 게이트 전극(204)을 칼코제나이드층(205)의 상부에 형성되는 상부 게이트 형태로 구성할 수도 있다.In FIG. 9, the gate insulating layer 206 and the gate electrode 204 are formed in the form of a lower gate formed under the chalcogenide layer 208, but the gate insulating layer 206 and the gate electrode 204 are formed. It may be configured in the form of an upper gate formed on the chalcogenide layer 205.

게이트 전극(204) 및 기판(200) 상에 게이트 절연층(206)을 형성한다(도 10). 게이트 절연층(gate oxide,206)은 칼코제나이드계 절연층, 예컨대 As2S3층이나, 유기물인 고분자 PMMA막, 실리콘 산화막, 실리콘 절연막 등으로 구성할 수 있다. 게이트 절연층(206)을 구성하는 유기물인 고분자 PMMA(poly methyl methacrylate)층은 투명한 막질이다. 게이트 절연층(220)은 칼코제나이드층(208)과의 좋은 접촉을 유지하고, 제조 공정중에 칼코제나이드층(208)의 성질을 변화시키지 않는 역할을 수행한다.A gate insulating layer 206 is formed on the gate electrode 204 and the substrate 200 (FIG. 10). The gate oxide layer 206 may be formed of a chalcogenide-based insulating layer, such as an As 2 S 3 layer, a polymer PMMA film, a silicon oxide film, a silicon insulating film, or the like, which is an organic material. The polymer PMMA (poly methyl methacrylate) layer, which is an organic material constituting the gate insulating layer 206, is a transparent film. The gate insulating layer 220 maintains good contact with the chalcogenide layer 208 and does not change the properties of the chalcogenide layer 208 during the manufacturing process.

게이트 절연층(206)으 실리콘 산화막을 이용할 경우 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)방법으로 형성한다.When the silicon oxide film is used as the gate insulating layer 206, the gate insulating layer 206 is formed by a plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method.

다음으로, 게이트 절연층(206) 상에 비정질상의 칼코제나이드층(208)을 증착(deposition)한다. 이때, 도 3을 통해 전술한 바와 같이, 비정질상의 n 형 칼코제나이드층(208)을 형성해주기 위해서 증착 장비에 아르곤 가스와 산소 가스를 동시에 주입한다. 그러면, 주입된 산소 가스의 일부가 증착되는 칼코제나이드 소재에 주입되고, 이때 주입된 산소에 의해 n 형 칼코제나이드층(208)이 형성된다. 본 발명의 실시예에서는 칼코제나이드층(208)을 GST층으로 형성하며, 스퍼터링 방법으로 형성한다(도 11).Next, an amorphous chalcogenide layer 208 is deposited on the gate insulating layer 206. In this case, as described above with reference to FIG. 3, in order to form an amorphous n-type chalcogenide layer 208, argon gas and oxygen gas are simultaneously injected into the deposition equipment. Then, a portion of the injected oxygen gas is injected into the deposited chalcogenide material, and the n-type chalcogenide layer 208 is formed by the injected oxygen. In an embodiment of the present invention, the chalcogenide layer 208 is formed of a GST layer and formed by a sputtering method (FIG. 11).

그리고, 비정질상의 칼코제나이드층(208)의 상면에 레이져를 조사하여 결정질상의 갈코제나이드층(209)를 형성한다(도 12).The upper surface of the amorphous chalcogenide layer 208 is irradiated with a laser to form a crystalline galcogenide layer 209 (FIG. 12).

그리고, 칼코제나이드층(209) 상에 확산(diffusion)이 일어나지 않도록 확산 방지층(210)을 증착한다. 이때 확산 방지층(210)은 실리콘 산화막(SiO2) 등으로 구성한다. 그리고, 확산 방지층(210) 상에 금속층(212)을 형성한다. 예컨대 알루미늄(Al)을 이용하여 금속층(212)를 형성한다(도 13).In addition, the diffusion barrier layer 210 is deposited on the chalcogenide layer 209 so that diffusion does not occur. In this case, the diffusion barrier layer 210 is formed of a silicon oxide film (SiO 2 ). In addition, the metal layer 212 is formed on the diffusion barrier layer 210. For example, the metal layer 212 is formed using aluminum (Al) (FIG. 13).

다음으로, 결정질상의 칼코제나이드층(209) 상에 형성된 확산 방지층(210)과 금속층(212)을 포토리소그래피 및 습식 식각 공정을 이용하여 패터닝하여 소정의 폭을 갖는 확산 방지층(214)과 금속층(216)을 형성한다(도 14).Next, the diffusion barrier layer 210 and the metal layer 212 formed on the crystalline chalcogenide layer 209 are patterned by photolithography and wet etching to form a diffusion barrier layer 214 and a metal layer having a predetermined width. 216) (FIG. 14).

그리고, 게이트 절연층(206) 상에 형성된 칼코제나이드층(209) 및 금속층(216)에 GeTe를 증착, 열처리하여 확산시키는 방법을 통해 산소가 주입된 칼코제나이드층(209)을 n 형 전도도 소재에서 p 형 전도도 소재로 바꾼다. 확산시키는 열처리 온도는 일반적으로 칼코제나이드가 비정질상에서 결정상으로 상이 변화하는 온도에서 약 한 1시간 정도 열처리하면 된다.The n-type conductivity of the chalcogenide layer 209 into which oxygen is injected is deposited through a method of depositing, heat treating, and dispersing GeTe in the chalcogenide layer 209 and the metal layer 216 formed on the gate insulating layer 206. Change from material to p-type conductivity material. Generally, the heat treatment temperature to be diffused may be heat treated for about one hour at a temperature where the chalcogenide phase changes from an amorphous phase to a crystalline phase.

전술한 바에 따르면, GeTe박막은 열처리 과정을 통해 확산 방지층(214)이 형성되지 않은 칼코제나이드층(209)의 양측부에서 확산된다. 즉, 노출된 칼코제나이드층(209)에 증착된 GeTe박막은 열처리 과정을 통해 n 형 전도도를 갖는 칼코제나이드층(209)의 양측부에서 확산된다. 따라서, n 형 전도도를 갖는 칼코제나이드층(209)의 양측부는 p 형 전도도를 갖는 칼코제나이드층(220)으로 바뀌게 된다. As described above, the GeTe thin film is diffused at both sides of the chalcogenide layer 209 where the diffusion barrier layer 214 is not formed through the heat treatment process. That is, the GeTe thin film deposited on the exposed chalcogenide layer 209 is diffused at both sides of the chalcogenide layer 209 having n-type conductivity through a heat treatment process. Accordingly, both sides of the chalcogenide layer 209 having an n-type conductivity are changed to the chalcogenide layer 220 having a p-type conductivity.

이때, 확산 방지층(214)이 형성된 칼코제나이드층(209), 즉 노출되지 않은 칼코제나이드층(209)은 n 형 전도도를 갖는 갈코제나이드층(218)으로 상태가 그대로 유지된다. 본 발명에서는 이와 같이 트랜지스터의 채널이 자연스럽게 형성되는 공정을 'Self-Aligned Channel공정'이라 칭하기로 한다(도 15).At this time, the chalcogenide layer 209 on which the diffusion barrier layer 214 is formed, that is, the chalcogenide layer 209 that is not exposed, is maintained as the galcogenide layer 218 having n-type conductivity. In the present invention, the process of naturally forming the channel of the transistor will be referred to as a 'self-aligned channel process' (FIG. 15).

따라서, 채널 폭과 길이는 n 형 칼코제나이드층(209) 위에 패터닝된 산화 방지층(214)의 모양에 따라 자연스럽게 형성된다. 확산 방지층(214) 상에 증착되는 GeTe는 차후 공정에서 제거된다.Accordingly, the channel width and length are naturally formed according to the shape of the antioxidant layer 214 patterned on the n-type chalcogenide layer 209. GeTe deposited on the diffusion barrier layer 214 is removed in a later process.

이후, p 형 전도도를 갖는 칼코제나이드층(220)을 패터닝하여 소정의 폭을 갖도록 형성한다(도 16). 그리고, 칼코제나이드층(220), 금속층(216), 및 게이트 절연층(206)상에 레어어(222)를 형성하여 콘택 홀(contact hole, 224)이 형성될 수 있게 한다(도 17). Thereafter, the chalcogenide layer 220 having the p-type conductivity is patterned to form a predetermined width (FIG. 16). Then, a rare layer 222 is formed on the chalcogenide layer 220, the metal layer 216, and the gate insulating layer 206 so that a contact hole 224 may be formed (FIG. 17). .

다음으로, 콘택 홀(224)에 소오스(Source)쪽 금속전극(226)과 드레인(Drain)쪽 금속전극(228)을 형성하는 것으로 박막형 트랜지스터를 완성한다(도 18).Next, a thin film transistor is completed by forming a source side metal electrode 226 and a drain side metal electrode 228 in the contact hole 224 (FIG. 18).

도 19는 도 8 내지 도 17의 공정순서에 따라 제작된 소자의 모습을 보여준다. 즉, 소오스와 드레인쪽 금속전극을 형성하기 직전의 모습을 보여준다. 도 19에 중앙부에 검게 표시된 부분이 트랜지스터의 채널에 해당되는 부분이다. 본 발명에 따른 박막형 트랜지스터는 도 15를 통해 언급한 바와 같이 Self-Aligned Channel공정을 통해 채널 폭이 자연스럽게 정렬되는 장점이 있다.19 is a view illustrating a device manufactured according to the process sequence of FIGS. 8 to 17. That is, just before forming the source and drain metal electrodes. The part shown in black in the center in FIG. 19 corresponds to the channel of the transistor. The thin film transistor according to the present invention has an advantage that the channel width is naturally aligned through a self-aligned channel process as mentioned with reference to FIG. 15.

도 20은 전술한 과정을 통해 제작된, n 형 칼코제나이드 소재와 p 형 칼코제나이드 소재로 이루어진 박막형 칼코제나이드 트랜지스터의 특성을 나타낸 그래프이다.FIG. 20 is a graph showing characteristics of a thin film chalcogenide transistor made of an n-type chalcogenide material and a p-type chalcogenide material manufactured through the above-described process.

X축은 소오스 드레인 전압을 나타내며, Y축은 나노 암페어의 단위 드레인 전류를 나타낸다. 비교적 적은 게이트 전압에서도 아주 깨끗하게 동작하는 트랜지스터의 특성곡선을 확인할 수 있다. 또한, 전류 정류도가 아주 좋은 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.The X axis represents the source drain voltage, and the Y axis represents the unit drain current of nano amps. We can see the characteristic curve of a transistor that works very clean even at relatively low gate voltages. In addition, it can be seen that the current rectification degree shows a very good characteristic.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.As described above, an optimal embodiment has been disclosed in the drawings and specification. Although specific terms have been employed herein, they are used for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the invention as defined in the claims or the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

도 1은 일반적인 CMOS 공정을 이용하여 제조되는 포토 박막형 트랜지스터의 구조를 개략적으로 설명하기 위한 개념도이다.1 is a conceptual diagram schematically illustrating a structure of a photo thin film transistor manufactured using a general CMOS process.

도 2는 일반적인 공정을 통해 증착된 비정질 칼코제나이드의 광 투과 곡선을 나타낸 도면으로, 일반적인 스퍼터링 방식으로 증착되었을 때의 비정질 칼코제나이드 박막의 광 투과 곡선이다.FIG. 2 is a view illustrating a light transmission curve of amorphous chalcogenide deposited through a general process, and is a light transmission curve of an amorphous chalcogenide thin film when deposited by a general sputtering method.

도 3은 n 형 칼코제나이드 소재와 p 형 칼코제나이드 소재를 제조하는 방법을 나타낸 도면으로, 산소주입과 GeTe 확산으로 형성되는 n 형 칼코제나이드 소재와 p 형 칼코제나이드 소재를 제작하는 방법을 나타낸 것이다.3 is a view showing a method of manufacturing an n-type chalcogenide material and a p-type chalcogenide material, a method of manufacturing an n-type chalcogenide material and p-type chalcogenide material formed by oxygen injection and GeTe diffusion. It is shown.

도 4는 산소의 주입량에 따라 달라지는 칼코제나이드 소재의 광 투과 곡선을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a light transmission curve of the chalcogenide material varies depending on the amount of oxygen injected.

도 5는 산소 도핑된 칼코제나이드 소재를 열처리한 후 광 투과 곡선의 이동을 나타낸 도면으로, 산소 주입량에 따라 달라지는 칼코제나이드 소재의 광 투과 곡선을 나타낸다.FIG. 5 is a view illustrating a shift of a light transmission curve after heat treatment of an oxygen-doped chalcogenide material, and illustrates a light transmission curve of a chalcogenide material depending on an oxygen injection amount.

도 6은 p 형 칼코제나이드 소재를 확산시키고 열처리하기 전의 광 투과 곡선을 나타낸 도면이다.6 is a view showing a light transmission curve before the p-type chalcogenide material is diffused and heat treated.

도 7은 p 형 칼코제나이드 소재를 확산시키고 열처리한 후의 광 투과 곡선을 나타낸 도면이다.7 is a view showing a light transmission curve after the p-type chalcogenide material is diffused and heat treated.

도 8 내지 18은 n 형 칼코제나이드 소재와 p 형 칼코제나이드 소재를 이용하여 온/오프 비율이 개선된 트랜지스터를 제작하는 공정을 설명하기 위한 도면이다.8 to 18 are views for explaining a process of fabricating a transistor having an improved on / off ratio using an n-type chalcogenide material and a p-type chalcogenide material.

도 19는 본 발명에 따른 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 제작 방법으로 자연스럽게 형성되는 트랜지스터의 채널 모습을 나타낸다.19 shows a channel state of a transistor that is naturally formed by the method of manufacturing a chalcogenide thin film transistor according to the present invention.

도 20은 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 n 형 칼코제나이드 소재와 p 형 칼코제나이드 소재로 제작된 박막형 칼코제나이드 트랜지스터의 특성을 나타낸 그래프이다.20 is a graph showing the characteristics of the thin-film chalcogenide transistor made of the n-type chalcogenide material and p-type chalcogenide material manufactured by the manufacturing method according to the present invention.

Claims (19)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 기판 상에 채널층을 구성하는 n형 칼코제나이드층을 형성하기 위해 칼코제나이드 소재를 타겟으로 배치하는 단계;Disposing a chalcogenide material as a target to form an n-type chalcogenide layer constituting a channel layer on the substrate; 상기 칼코제나이드 소재를 기판 상에 증착시키기 위해 증착 챔버(chamber)에 아르곤(Ar) 가스와 산소(O2) 가스를 동시에 주입하는 단계;Simultaneously injecting argon (Ar) gas and oxygen (O 2) gas into a deposition chamber to deposit the chalcogenide material on a substrate; 상기 n형 칼코제나이드층 상부에 확산 방지층을 형성하고, 상기 확산 방지층을 패터닝하는 단계; 및Forming a diffusion barrier layer on the n-type chalcogenide layer and patterning the diffusion barrier layer; And 상기 n형 칼코제나이드층에서 상기 확산 방지층이 형성된 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역에 Te합금을 증착하는 단계; 및Depositing a Te alloy in the second region other than the first region in which the diffusion barrier layer is formed in the n-type chalcogenide layer; And 상기 제2 영역에 열 에너지를 가하여 상기 Te합금이 증착된 n형 칼코제나이드 소재를 확산시켜 소오스 및 드레인 영역을 구성하는 p형 칼코제나이드층을 형성하는 단계를 포함하는 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 제작 방법.Fabricating a chalcogenide thin film transistor comprising applying a thermal energy to the second region to diffuse the Te alloy deposited n-type chalcogenide material to form a p-type chalcogenide layer constituting a source and a drain region Way. 청구항 6에 있어서,The method of claim 6, 상기 기판은 유리 기판, 플라스틱 기판, 폴리이미드 기판, 비닐 기판 중 어느 하나로 형성되며, The substrate is formed of any one of a glass substrate, a plastic substrate, a polyimide substrate, a vinyl substrate, 상기 Te합금은 GeTe, SbTe, Te로 이루어진 군 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 제작 방법.The Te alloy is formed of any one of the group consisting of GeTe, SbTe, Te, chalcogenide thin film transistor manufacturing method. 청구항 6에 있어서,The method of claim 6, 상기 칼코제나이드층은 Ge2Sb2Te5층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 제작 방법.The chalcogenide layer is formed of a Ge 2 Sb 2 Te 5 layer chalcogenide thin film transistor manufacturing method. 청구항 6에 있어서,The method of claim 6, 상기 채널층을 구성하는 n형 칼코제나이드층의 하부에 게이트 절연층을 개재하여 게이트 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 제작 방법.And forming a gate electrode on the lower portion of the n-type chalcogenide layer constituting the channel layer through a gate insulating layer. 청구항 9에 있어서,The method of claim 9, 상기 게이트 절연층은 유기물인 고분자 PMMA막인 것을 특징으로 하는 칼코제나이드 박막형 트랜지스터 제작 방법.The gate insulating layer is a chalcogenide thin film transistor manufacturing method characterized in that the organic PMMA film. 청구항 9에 있어서,The method of claim 9, 상기 게이트 절연층은 PECVD방법으로 형성된 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 박막형 트랜지스터 제작 방법.And the gate insulating layer is a silicon oxide film formed by PECVD. 기판 상에 칼코제나이드 소재를 타겟으로 배치한 후 증착 챔버(chamber)에 아르곤(Ar) 가스와 산소(O2) 가스를 동시에 주입하여 형성되며, 채널층을 구성하는 제 1형 전도도를 갖는 칼코제나이드층;A chalcogenide material is placed on a substrate as a target, and is then formed by simultaneously injecting argon (Ar) gas and oxygen (O2) gas into a deposition chamber, and having a first type conductivity that forms a channel layer. Naed layer; 상기 제 1형 전도도를 갖는 칼코제나이드층에서 확산 방지층이 형성된 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역에 Te합금을 증착하고, 상기 제2 영역에 열 에너지를 가하여 상기 Te합금이 증착된 n형 칼코제나이드 소재를 확산시켜 형성되며, 소오스 및 드레인 영역을 구성하는 제 2형 전도도를 갖는 칼코제나이드층; 및In the chalcogenide layer having the first conductivity, the Te alloy is deposited on the remaining second region except the first region where the diffusion barrier layer is formed, and the Te alloy is deposited by applying thermal energy to the second region. A chalcogenide layer formed by diffusing a cogenide material and having a second type conductivity constituting the source and drain regions; And 상기 소오스 및 드레인 영역을 구성하며 제 2형 전도도를 갖는, 칼코제나이드층에 연결된 소오스 전극 및 드레인 전극을 구비하는 박막형 트랜지스터.And a source electrode and a drain electrode connected to the chalcogenide layer constituting the source and drain regions and having a second type conductivity. 청구항 12에 있어서,The method according to claim 12, 상기 채널층과 소오스 및 드레인 영역을 구성하는 칼코제나이드층은 Ge2Sb2Te5층인 것을 특징으로 하는 박막형 트랜지스터.The chalcogenide layer constituting the channel layer and the source and drain regions is a Ge 2 Sb 2 Te 5 layer. 청구항 12에 있어서,The method according to claim 12, 상기 제 1형 전도도를 갖는 칼코제나이드층의 하부에 게이트 절연층을 개재하여 형성된 게이트 전극를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 박막형 트랜지스터.And a gate electrode formed under the chalcogenide layer having the first type conductivity via a gate insulating layer. 청구항 14에 있어서,The method according to claim 14, 상기 게이트 절연층은 유기물인 고분자 PMMA막인 것을 특징으로 하는 박막형 트랜지스터.The gate insulating layer is a thin film transistor, characterized in that the organic PMMA film. 청구항 14에 있어서,The method according to claim 14, 상기 게이트 절연층은 PECVD방법으로 형성된 실리콘 산화막인 것을 특징으로 하는 박막형 트랜지스터.The gate insulating layer is a thin film transistor, characterized in that the silicon oxide film formed by the PECVD method. 삭제delete 청구항 12에 있어서,The method according to claim 12, 상기 채널층은 n형이고, 상기 소오스 및 드레인 영역은 p형인 것을 특징으로 하는 박막형 트랜지스터.And the channel layer is n-type, and the source and drain regions are p-type. 청구항 12에 있어서,The method according to claim 12, 상기 채널층은 p형이고, 상기 소오스 및 드레인 영역은 n형인 것을 특징으로 하는 박막형 트랜지스터.And the channel layer is p-type, and the source and drain regions are n-type.
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