KR101381169B1 - 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자 및 이를 이용한 트랜지스터 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자 및 이를 이용한 트랜지스터 소자에 관한 것으로서, 증착에 의해 형성되는 비결정질 전이금속 칼코겐화합물을 레이저 어닐링에 의해 단결정 또는 다결정으로 형성되도록 한 발명에 관한 것이다. 이를 위해 증착에 따른 비결정질 전이금속 칼코겐화합물을 어닐링에 의해 단결정 또는 다결정 전이금속 칼코겐화합물로 재결정화하여 반도체 채널물질을 형성하는 것을 특징으로 하는 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자가 개시된다.
Description
본 발명은 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자 및 이를 이용한 트랜지스터 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 증착에 의해 형성되는 비결정질 전이금속 칼코겐화합물을 레이저 어닐링에 의해 단결정 또는 다결정으로 형성되도록 한 발명에 관한 것이다.
최근 차세대 디스플레이에 관한 연구로서 플렉시블 디스플레이, 투명 디스플레이, 3D 디스플레이 및 고해상도 디스플레이에 관한 연구가 매우 활발히 진행중에 있다. 이러한 차세대 디스플레이 구현을 위해 현재의 기술은 비결정질 실리콘(a-Si), LTPS(low temperature poly silicon) 박막형 필름을 채널물질로 사용한 TFT(thin film transistor)를 이용하지만 고온 증착시 플렉시블 기판의 기계적 변형에 의한 문제점이 있다. 또한, 구부러지는 동안 쉽게 깨지는 특성, 불투명성, 및 무엇보다도 가장 큰 단점인 물질의 이동도가 30cm2/Vsec 이하이므로 고해상도를 적용하기에 큰 한계성을 보이고 있었다.
차세대 디스플레이에 대한 조건으로 종래의 실리콘은 투명하지 않고, 이동도가 상술한 바와 같이 30cm2/V·sec 이하이고, 기계적 안정성 즉, 구부러짐 동안 박막 타입인 실리콘은 쉽게 깨지는 현상이 발생되어 차세대 디스플레이에 대한 요건을 만족시키지 못하고 있다.
따라서, 실리콘이 갖지 못한 차세대 디스플레이에 대한 요건을 만족시키기 위해 고이동도, 고유연성, 및 고투과성을 보이는 반도체 채널물질의 개발이 필요되고 있었다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 성장 조건에 따라 이동도가 낮게 형성 시 전자의 이동도 향상과 기판의 손상을 막기 위해 기존의 열처리를 대신하여 레이저 어닐링을 통해 순간적으로 비결정질 전이금속 칼코겐화합물을 단결정 또는 다결정질 물질로 재결정화하여 반도체 채널을 형성함으로써 이동도를 향상시키는 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 증착에 따른 비결정질 전이금속 칼코겐화합물을 어닐링에 의해 단결정 또는 다결정 전이금속 칼코겐화합물로 재결정화하여 반도체 채널물질을 형성하는 것을 특징으로 하는 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 재결정은 에너지 빔의 조사에 의해 이루어진다.
또한, 전이금속 칼코겐화합물은, 단층 또는 다층으로 이루어진다.
또한, 단층 전이금속 칼코겐화합물은 직접 천이 밴드갭에 의해 빛을 흡수하고, 다층 전이금속 칼코겐화합물은 간접 천이 밴드갭에 의해 빛을 흡수한다.
또한, 전이금속 칼코겐화합물은, MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, 및 SnSe2 중 적어도 어느 하나의 화합물이다.
또한, 다층 전이금속 칼코겐화합물은, 자외선에서 근적외선 영역까지의 파장을 흡수한다.
한편, 본 발명의 목적은 게이트, 드레인, 소스로 형성되는 복수의 전극, 및
제 1 항에 따른 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자에 의해 드레인 및 소스 전극 사이에 형성된 반도체 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 트랜지스터 소자를 제공함으로써 달성될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 레이저 어닐링에 의한 재결정화를 통해 비결정질 전이금속 칼코겐화합물이 단결정 또는 다결정질 물질로 결정화됨에 따라 산란이 줄어들어 전자의 이동도가 빨라지는 효과가 있다.
또한, 전이금속 칼코겐화합물에 의해 고투과성 및 고유연성을 구현함으로써 투명 디스플레이 또는 플렉시블 디스플레이에 사용될 수 있는 효과가 있다.
또한, 다층 전이금속 칼코겐화합물이 재결정화를 통해 다결정질 물질로 됨에 따라 실리콘 물질에 비해 이동도가 더욱 빨라지는 효과가 있다.
또한, 전자의 이동도가 빨라짐에 따라 전력소모가 작고 소자의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 단층 MoS2의 삼차원적 구조를 나타낸 도면이고,
도 2는 단층 MoS2 트랜지스터의 삼차원적 도면이고
도 3은 서로 다른 두께를 가지는 MoS2 결정의 흡수 스펙트럼 도면이고,
도 4는 벌크 MoS2의 밴드 구조를 나타낸 도면이고,
도 5는 직접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 6은 간접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 7은 MoS2 포토트랜지스터의 Id-Vgs 특성곡선이다.
도 8은 세 종류의 고체를 도시한 도면이고,
도 9는 엑시머 레이저 빔이 전이금속 칼코겐화합물에 조사되는 도면이고,
도 10은 레이저 빔의 조사에 의해 비결정질 물질이 다결정질 물질로 재결정화되어 그레인 바운드리가 넓어진 도면이고,
도 11, 도 12, 도 13은 레이저 빔의 조사 전/후를 나타낸 특성곡선이다.
도 1은 단층 MoS2의 삼차원적 구조를 나타낸 도면이고,
도 2는 단층 MoS2 트랜지스터의 삼차원적 도면이고
도 3은 서로 다른 두께를 가지는 MoS2 결정의 흡수 스펙트럼 도면이고,
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도 5는 직접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 6은 간접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 7은 MoS2 포토트랜지스터의 Id-Vgs 특성곡선이다.
도 8은 세 종류의 고체를 도시한 도면이고,
도 9는 엑시머 레이저 빔이 전이금속 칼코겐화합물에 조사되는 도면이고,
도 10은 레이저 빔의 조사에 의해 비결정질 물질이 다결정질 물질로 재결정화되어 그레인 바운드리가 넓어진 도면이고,
도 11, 도 12, 도 13은 레이저 빔의 조사 전/후를 나타낸 특성곡선이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
<재결정화된 전이금속
칼코겐화합물
소자의 구성>
2차원 물질은 일차원 물질과 비교했을 때 복잡한 구조를 제조하기가 상대적으로 쉬어 차세대 나노전자소자의 물질로 이용하기에 적합하다. 이러한 2차원 물질 중 2차원 전이금속 칼코겐화합물(2D Transition Metal Dichalcogenides)은 판상구조를 갖으며 MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, 또는 SnSe2의 화합물로 이루어진다.
(단층 전이금속
칼코겐화합물과
다층 전이금속
칼코겐화합물의
차이점)
이 중에서 단층 MoS2의 구조 및 단층 MoS2를 이용한 트랜지스터는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같다. 도 1에 도시된 바와 같이 단층 MoS2 결정은 수직적으로 쌓여있는 구조이고 단층(single layer)의 두께는 6.5Å으로 반더발스(van der Waals) 상호작용으로부터 층을 형성하고 있다.
단층 전이금속 칼코겐화합물인 MoS2는 1.8eV의 고유 밴드갭을 가지며 물질 고유의 이동성(mobility)은 0.5 ~ 3cm2V-1s-1이다. 상술한 단층 MoS2는 도 3의 T2, T3 그래프와 같이 약 700nm 아래의 파장을 흡수할 수 있다. 도 3에 도시된 T1, T2, T3는 MoS2 결정의 두께를 나타내며, 두께는 T1 > T2 > T3 순으로서 T1은 약 40nm, T2는 약 4nm, T3는 약 1nm이다.
도 3 및 도 4에 도시된 흡수 최고점 "A", "B"는 가전자 밴드(valance band) 스핀-궤도 결합으로부터 에너지 분리된 직접 천이 밴드갭에 상응하며, 꼬리 "I"는 간접 천이 밴드갭에 상응한다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 직접 천이 밴드갭은 가전자대의 에너지 Ev(k)가 전도대의 에너지 Ec(k)와 같은 파수 k로 발생하는 경우이고, 도 6에 도시된 바와 같이 위의 두 에너지가 다른 파수 값에서 생기는 것을 간접 천이 밴드갭이라 한다. 직접 천이 밴드갭은 광 방사 에너지 
에 의해 가전자가 전도대에 직접 천이하지만, 간접 천이 밴드갭은 전도대에 간접 천이하며 그때 에너지 Eph의 포논(phonon)을 발생한다.
따라서, 직접 천이 밴드갭에서의 
이고, 간접 천이 밴드갭에서의 
이다. 이와 같이 간접 천이 밴드갭에서는 Eph가 발생됨으로써 직접 천이 밴드갭에서의 에너지 갭이 1.8eV(단층 MoS2)에서 1.35eV(다층 MoS2)로 낮아지게 된다. 이때 다층은 3층 이상인 경우가 바람직하다.
에너지 갭이 1.8eV에서 1.35eV로 낮아지는 경우에는 다음의 수학식 1에 의해 파장 값이 변하게 된다.
에너지 갭이 1.8eV인 경우보다 1.35eV인 경우, 즉 스몰 밴드갭(small bandgap)인 경우에 파장(
)값이 커지며, 이는 단층 MoS2를 사용하는 경우보다 다층 MoS2를 사용하는 경우 더 넓은 범위의 파장을 흡수할 수 있음을 도 3의 T1, T2, T3 그래프를 통해 알 수 있다.
단층 MoS2의 경우에는 일반적으로 700nm 아래의 파장을 흡수할 수 있으나, 본 발명에 따른 다층 MoS2(바람직하게는 3층 이상)의 경우에는 1000nm 아래의 모든 파장을 흡수할 수 있다. 이는 근적외선(near IR)에서부터 자외선(ultra violet)까지의 파장대를 감지할 수 있음을 의미한다.
단층 또는 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자는 도 7에 도시된 바와 같이 빛이 입사되지 않을 때와 빛이 입사될 때(633nm의 50mWcm-2 강도)의 Id가 약 103 차이가 남을 알 수 있으며 이에 의해 스위칭 소자로 사용될 수 있다.
상술한 단층 또는 다층 전이금속 칼코겐화합물은 화학기상증착(CVD), PE-CVD, 원자층 증착(ALD), 또는 스퍼터(sputter) 등의 종래의 일반적인 증착방식을 이용하여 증착되므로 대면적 증착이 용이하다.
(단결정 또는
다결정
다층 전이금속
칼코겐화합물
소자)
일반적으로 반도체에 사용되는 고체는 단결정, 다결정, 비정질 이 세가지로 나눌 수 있다. 결정이라함은 분자의 규칙적인 배열이라고 정의되며 이 규칙적인 배열이 고체 전체에 균일하게 이루어져 있으면 단결정(결정질, Crystalline)이라고 하고, 부분적으로는 결정을 이루지만 전체적으로는 하나의 균일한 결정이 아닌 경우를 다결정(다결정질, Poly Crystal)이라 한다. 한편, 비정질(Amorphous, 비결정질)은 고체이지만 분자가 무작위로 배열되어 규칙이 없는 경우를 말한다. 이러한 예가 도 8에 단결정(10), 다결정(20), 비정질(30)로 나타나있다.
이때, 결정질은 한 개의 그레인(grain)으로 이루어진 물질이고, 다결정질은 여러 개의 그레인으로 이루어진 물질로 각 그레인마다 결정 방향이 다르다. 비정질은 도 8에 도시된 바와 같이 분자가 무작위로 배열되어 있고, 중간 중간의 불순물 성분 때문에 산란(scattering)이 발생되어 전자 이동이 더디다. 따라서 비정질을 이용하여 반도체 채널을 형성하는 경우 이동도가 좋지 않다.
여기서, 단층 또는 다층 전이금속 칼코겐화합물의 일반적인 대면적 성장은 앞서 설명한 증착방식과 동일하게 스퍼터링, ALD, CVD 등의 방식을 택하여 증착한다. 그러나 이렇게 증착이 되면 비결정질로 증착이 되어서 전이금속 칼코겐화합물이 실질적으로 가지고 있는 고유의 이동도를 구현할 수 없게 된다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 물질의 이동도 향상과 기판상의 손상을 막기 위해 기존의 열처리를 대신하여 팸토세컨 레이저 어닐링을 통해 순간적으로 비결정질 물질을 단결정 또는 다결정질 물질로 재결정화하여 물질의 이동도를 향상시킨다. 레이저 어닐링은 채널물질의 결정화를 도울 뿐만 아니라, 반도체-도체의 접합부분에서도 적용하여 접촉저항(contact resistance)를 낮춤으로써 전기적 전도도를 향상시킬 수도 있다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 레이저 어닐링은 엑시머 레이저 어닐링으로서 기판(40) 위에 증착된 물질(5, 일예로 단층 또는 다층 전이금속 칼코겐화합물)에 레이저 빔(60)을 조사하여 비결정질 물질을 단결정 또는 다결정질 물질로 재결정화한다. 재결정화된 단층 또는 다층 전이금속 칼코겐화합물은 도 10에 도시된 바와 같이 비결정질(30)에서 다결정질(20)로 재결정화되어 그레인 바운드리(grain boundary)가 넓어져서 산란이 방지되어 이동도가 증가한다. 또한, 엑시머 레이저 어닐링에 의해 다층 전이금속 칼코겐화합물과 소스/드레인 전극의 접합부분의 접합저항을 향상시킴으로 이동도가 빨라지게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 팸토세컨 레이저 어닐링을 통해 기판의 기계적 손상없이 전이금속 칼코겐화합물을 재결정화하여 반도체 채널물질을 형성한다. 특히, 다층 전이금속 칼코겐화합물의 경우에는 스퍼터링에 의한 비결정질 증착에 의해 물질 고유의 이동도가 줄어드는 문제점을 레이저 어닐링을 통한 재결정화에 의해 이동도를 150cm2/V·sec로 향상시킬 수 있다. 이러한 전이금속 칼코겐화합물의 재결정화에 따른 이동도는 앞서 설명한 실리콘에 의한 이동도에 비해 우수함을 알 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이 레이저 어닐링 전/후에 따라 드레인 전류가 변화되어 이동도가 향상됨을 알 수 있다. 또한, 도 12는 레이저 어닐링 전이며, 도 13은 레이저 어닐링 후로서 레이저 어닐링 전/후에 따라 비결정질 전이금속 칼코겐화합물이 단결정 또는 다결정 전이금속 칼코겐화합물로 재결정화되어 드레인 전류가 더욱 증가함을 알 수 있다.
(재결정화된 전이금속
칼코겐화합물을
이용한 트랜지스터 소자)
도 2에 도시된 바와 같이 드레인 및 소스 전극 사이에 상술한 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 채널물질을 형성함으로써 차세대 디스플레이에 적합한 TFT를 구성할 수 있다.
상술한 게이트, 드레인, 및 소스 전극을 투명 전극으로 구성하는 경우에는 고투과성을 지닌 투명 디스플레이를 구현할 수 있다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
1 : 단층 MoS2 트랜지스터
10 : 단결정
20 : 다결정
30 : 비정질(비결정질)
40 : 기판
50 : 증착물질
60 : 레이저 빔
10 : 단결정
20 : 다결정
30 : 비정질(비결정질)
40 : 기판
50 : 증착물질
60 : 레이저 빔
Claims (7)
- 증착에 따른 비결정질 전이금속 칼코겐화합물을 어닐링에 의해 단결정 또는 다결정 전이금속 칼코겐화합물로 재결정화하여 반도체 채널물질을 형성하고,
상기 전이금속 칼코겐화합물은 직접 천이 밴드갭에 의해 빛을 흡수하는 단층 전이금속 칼코겐화합물 또는 간접 천이 밴드갭에 의해 빛을 흡수하는 다층 전이금속 칼코겐화합물인 것을 특징으로 하는 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 재결정은 에너지 빔의 조사에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 전이금속 칼코겐화합물은,
MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, 및 SnSe2 중 적어도 어느 하나의 화합물인 것을 특징으로 하는 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다층 전이금속 칼코겐화합물은,
자외선에서 근적외선 영역까지의 파장을 흡수할 수 있는 것을 특징으로 하는 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 게이트, 드레인, 소스로 형성되는 복수의 전극 및
제 1 항에 따른 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물 소자에 의해 드레인 및 소스 전극 사이에 형성된 반도체 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 재결정화된 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 트랜지스터 소자.
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