KR101853588B1 - 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법 - Google Patents

반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101853588B1
KR101853588B1 KR1020170097527A KR20170097527A KR101853588B1 KR 101853588 B1 KR101853588 B1 KR 101853588B1 KR 1020170097527 A KR1020170097527 A KR 1020170097527A KR 20170097527 A KR20170097527 A KR 20170097527A KR 101853588 B1 KR101853588 B1 KR 101853588B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
region
transition metal
thin film
molecular
molecular layers
Prior art date
Application number
KR1020170097527A
Other languages
English (en)
Inventor
염근영
김기석
김기현
박진우
김두산
지유진
Original Assignee
성균관대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 성균관대학교산학협력단 filed Critical 성균관대학교산학협력단
Priority to KR1020170097527A priority Critical patent/KR101853588B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101853588B1 publication Critical patent/KR101853588B1/ko
Priority to US16/050,063 priority patent/US10593819B2/en
Priority to US16/775,821 priority patent/US10916670B2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0324—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIVBVI or AIIBIVCVI chalcogenide compounds, e.g. Pb Sn Te
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

본 발명의 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법에서, 본 발명의 반도체 소자는 기판; 및 N+M개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로부터 연장된 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역과 인접한 제2 영역을 구비하고 상기 기판 상에 배치된 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 헤테로 접합이 형성된다.

Description

반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE, PHOTOELECTRONIC DEVICE, AND METHOD OF MANUFACTURING TRANSITION METAL DICHALCOGENIDE THIN FILM}
본 발명은 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 반도체 소자와 광전 소자 그리고 전이금속 디칼코게나이드 박막을 제조하는 방법에 관한 것이다.
전이금속 디칼코게나이드(Transition metal dichalcogenides, TMDs)는 전이금속 원자(M)와 칼코겐(chalcogen) 원자(X) 간의 결합으로 이루어진 화합물로, TMD 화합물은 분자층이 약한 반데르발스(van der Waals)에 의해 결합된 층상 구조를 가지는 2차원 소재이다. 대표적인 TMD 화합물 중의 하나인 MoS2는 벌크(bulk) 상태에서 1.2 eV의 간접 밴드갭(indirect band gap)을 가지는 반면, 단일층(Monolayer)에서는 1.9 eV의 직접 밴드갭(direct band gap)을 갖는다. 즉, 두께에 따라 상이한 밴드갭을 갖는다. MoS2 외의 다른 TMD 화합물들도 TMD 분자층수, 즉, 두께에 따라서 밴드갭을 비롯한 물리적, 화학적 특성이 변화하는 특성을 갖는다.
이러한 TMD 화합물의 특성을 이용하여 TMD 화합물의 분자층을 부분적으로 분리하기 위한 시도가 있었으나, 스카치테이프를 이용하는 것과 같은 기계적 박리와 같은 방법으로는 TMD 기반의 다중접합을 형성하는 것이 거의 불가능하고 가능하더라도 기계적 박리 공정 중 우연히 헤테로접합이 형성될 뿐, 원하는 층 수 및 패턴으로 헤테로 접합을 형성할 수 없다는 문제가 있다.
때문에, TMD 층을 손상 없이 제어할 수 있고 목적하는 위치 및 크기로 부분적으로 다른 분자층수를 갖는 TMD를 형성할 수 있는 새로운 기술에 대한 연구 개발이 더 필요한 실정이다.
본 발명의 일 목적은 다른 분자층수를 갖는 영역들을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다른 분자층수를 갖는 영역들을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 광전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 다른 분자층수를 갖는 영역들을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 반도체 소자는 기판; 및 N+M개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로부터 연장된 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역과 인접한 제2 영역을 구비하고 상기 기판 상에 배치된 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하고, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 헤테로 접합이 형성된다.
일 실시예에서, 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나의 영역을 적어도 둘 이상 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 N개의 분자층은 a+b개의 분자층으로 이루어지고, 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 N개의 분자층으로 이루어진 제2 영역 중 적어도 어느 하나의 a개의 분자층으로부터 연장된 a개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 인접한 제3 영역을 더 포함하며, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 상기 제3 영역 사이에 헤테로 접합이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 전이금속 디칼코게나이드 분자는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 및 아연(Zn) 중 어느 하나의 전이금속 원자 하나 및 셀레늄(Se), 황(S), 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나의 칼코겐(chalcogen) 원자 두 개가 결합된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 위한 광전 소자는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, N+M개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로부터 연장된 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역과 인접한 제2 영역을 구비하며, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 헤테로 접합이 형성된 전이금속 디칼코게나이드 박막; 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 상에 배치된 전극을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나의 영역을 적어도 둘 이상 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 N개의 분자층은 a+b개의 분자층으로 이루어지고, 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 N개의 분자층으로 이루어진 제2 영역 중 적어도 어느 하나의 a개의 분자층으로부터 연장된 a개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 인접한 제3 영역을 더 포함하며, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 상기 제3 영역 사이에 헤테로 접합이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 전이금속 디칼코게나이드 분자는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 및 아연(Zn) 중 어느 하나의 전이금속 원자 하나 및 셀레늄(Se), 황(S), 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나의 칼코겐(chalcogen) 원자 두 개가 결합 것일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광전 소자는 포토디텍터(photodetector), 포토다이오드(photodiode), 및 포토트랜지스터(phototransitor) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 위한 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법은 제1 마스크 패턴이 형성된 N+M 개의 분자층으로 이루어진 전이금속 디칼코게나이드 박막을 원자층 식각하여, N+M 개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 분자층으로부터 연장된 N개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역과 인접한 제2 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 형성하는 (a) 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 (a) 단계는 1개의 분자층을 식각하는 공정을 M번 반복 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 (a) 단계 이후에, 상기 제2 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막 상에 제2 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 제2 마스크 패턴이 형성된 상태에서 원자층 식각하여 N-K(N-K는 양의 정수)개의 분자층으로 이루어진 제3 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 형성하는 (b) 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 (b) 단계는 1개의 분자층을 식각하는 공정을 K번 반복 수행할 수 있다.
이때, 상기 (b) 단계에서, N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역의 일부가 식각되어 N+M-K개의 분자층이 잔류하는 제4 영역이 상기 제3 영역과 함께 형성될 수 있다.
본 발명의 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법에 따르면, 본 발명은 전이금속 디칼코게나이드 단일 물질로 이루어진 전이금속 디칼코게나이드 층상 구조에서 원하는 분자층을 선택적으로 국소 식각하여, 국부적으로 서로 다른 분자층수를 갖는 영역들을 구비하고 상기 영역들 사이에 헤테로 접합이 형성된 전이금속 디칼코게나이드 박막을 제공할 수 있다. 본 발명에 따라 선택적인 두께 조절(분자층수 조절)을 통해 다른 분자층수를 갖는 영역들을 구비하는 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 두께가 다른 영역들이 갖는 상이한 밴드갭 간의 일함수(work function), 전자 친화도(electron affinity) 차이로 인해, 상기 다른 분자층수를 갖는 영역들 사이에 형성된 헤테로 접합에서 높은 광전류(photocurrent)가 발생할 수 있다. 또한, 헤테로 접합이 형성됨으로써 광반응도(photoresponsivity) 등의 광학적 특성이 향상될 수 있다. 이러한 특성들에 기인하여, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 반도체 소자, 광전 소자와 같은 다양한 소자를 제공할 수 있고, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 소자는 우수한 전기적, 광학적 특성을 가지며, 우수한 소자 성능을 나타낼 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 반도체 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 광전 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 광반응성 향상 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 반도체 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 발명의 반도체 소자는 기판; 및 N+M개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제2 영역을 구비하고 상기 기판 상에 배치된 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함한다.
이때, 상기 N, M은 양의 정수이고, 즉, 상기 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층은 적어도 일층이다.
본 발명에서 기판은 일반적인 반도체 소자에 이용되는 기판이면 특별히 제한되지 않고 가능하며, 일례로, Si/SiO2 기판을 이용할 수 있다.
칼코게나이드(chalcogenide)는 최소한 하나의 16족(칼코겐) 원소와 하나 이상의 양전성 원소로 구성된 화합물로, 그 중 전이금속 디칼코게나이드(Transition metal dichalcogenides, TMDs)는 하나의 전이금속 원자(M)와 두 개의 칼코겐 원자(X)가 결합하여 이루어진 화합물이며, 일반적으로 MX2로 나타낸다. 본 발명에서, 전이금속 디칼코게나이드는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 및 아연(Zn) 중 적어도 어느 하나의 전이금속 원자 하나 및 셀레늄(Se), 황(S), 및 텔루륨(Te) 어느 하나의 칼코겐 원자 두 개가 결합하여 이루어진 화합물이고, 일례로, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드는 몰리브덴(Mo) 원자와 황(S) 원자가 결합된, MoS2일 수 있다.
일반적으로 전이금속 디칼코게나이드는 전이금속 디칼코게나이드 분자가 형성하는 단일층 사이에 약한 반데르발스 결합이 형성되어 층상 구조를 가지는 2차원 소재이나, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 국부적으로 서로 다른 분자층수를 갖는 영역들을 갖는다.
구체적으로, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 N+M개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제1 영역과 상기 제1 영역과 인접하고 상기 제1 영역의 상기 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로부터 연장된 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제2 영역을 구비한다.
이때, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에는 헤테로 접합이 형성된다. 헤테로 접합은 에너지 대 구조가 다른 두 물질을 접촉시키는 것으로, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막에서 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역은 동일한 물질로 구성되지만, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 간의 분자층수의 차이, 즉, 두께의 차이로부터 기인하는 상이한 밴드갭과 물리적, 화학적 특성을 나타낼 수 있다. 때문에, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 분자층의 개수가 상이한 인접한 두 영역(상기 제1 역역 및 상기 제2 영역) 사이에 헤테로 접합이 형성될 수 있다. 상기 헤테로 접합에서는 상기 헤테로 접합을 형성하는 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역의 상이한 밴드갭으로부터 일함수의 차이, 전자친화도 차이로부터 향상된 광전류(photocurrent)를 나타낼 수 있고, 또한, 향상된 광반응성(photoresponsivity) 등의 광학적 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 적어도 하나 구비할 수 있다. 일례로, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 각각 하나 구비하는 경우, 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 도 1a에 도시한 것과 같이 하나의 헤테로 접합이 형성될 수 있다. 이와 달리, 일례로, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나의 영역을 적어도 둘 이상 구비하는 경우, 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 도 1b에 도시한 것과 같이 서로 인접한 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 사이에 각각 형성된 다수의 헤테로 접합이 형성될 수 있다. 즉, 멀티 헤테로 접합(multi hetero junction)이 형성된다. 이때, 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 제1 영역 및 상기 제1 영역에 인접합 상기 제2 영역이 규칙적 또는 불규칙적으로 배열되어 다양한 패턴을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 제3 영역을 더 포함할 수 있다. 도 1c를 참조하면, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막이 제3 영역을 포함하는 경우, 상기 N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 N개의 분자층으로 이루어진 제2 영역의 상기 N개의 분자층은 a+b개의 분자층으로 이루어지고(이때, 상기 N은 적어도 2 이상의 자연수이고, 상기 a 및 b는 양의 정수), 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 N개의 분자층으로 이루어진 제2 영역 중 적어도 어느 하나의 상기 N개의 분자층 중 a개의 분자층으로부터 연장된 a개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 인접한 제3 영역을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 상기 제3 영역 사이에 헤테로 접합이 형성되고, 상기 제3 영역을 포함하는 전이금속 디칼코게나이드 박막은 복수의 영역들에 의해 형성되는 멀티 헤테로 접합을 포함할 수 있다. 이때, 상기 a개의 분자층으로 이루어진 전이금속 디칼코게나이드 분자층은 적어도 일층이다. 도 1c에서는 상기 제3 영역이 상기 제2 영역과 인접한 경우를 예시적으로 도시하였으나 본 발명에서 제3 영역은 상기에서 설명한 것과 같이 상기 제1 영역과 인접할 수도 있다. 즉, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 규칙적 또는 불규칙적으로 서로 인접하게 배열된 적어도 하나의 상기 제1 영역, 상기 제2 영역, 및 상기 제3 영역을 구비할 수 있다. 또한, 일례로, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 적어도 1개의 분자층으로 이루어지고 상기 영역들에 인접한 제n 영역을 더 포함할 수도 있다(n은 4 이상의 자연수).
본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 각각 다른 밴드갭을 갖는 상이한 분자층수 즉, 상이한 분자층의 두께를 갖는 서로 다른 분자층수를 갖는 복수의 영역들을 구비하고 있어 각각의 영역들 사이에 형성된 다수의 헤테로 접합으로부터 일함수 차이와 전자친화도 차이에 기인하는 향상된 광전류를 나타낼 수 있고, 향상된 광반응성 등의 광학적 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 본 발명의 반도체 소자는 우수한 소자 성능을 나타낼 수 있고, 이러한 특성에 기인하여 이를 광전 소자와 같은 다양한 소자에 적용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 광전 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전 소자의 구조를 설명하기 위한 도면으로, 도 2를 참조하면, 본 발명의 광전 소자는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, N+M개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제2 영역을 구비하며, 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 사이에 헤테로 접합이 형성된, 전이금속 디칼코게나이드 박막; 및 상기 전이금속 디칼코게나이드 상에 배치된 전극을 포함한다.
상기 기판, 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 본 발명의 반도체 소자에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로, 이에 중복되는 상세한 설명은 생략하고, 차이점을 위주로 후술하도록 한다.
일례로, 상기 전극은 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막 상에 서로 이격되어 배치된 소스 및 드레인 전극일 수 있다. 상기 전극은 광전 소자 분야에서 일반적으로 이용 가능한 전극이면 가능하고, 일례로, 본 발명에서 상기 전극은 금/티타늄(Au/Ti) 전극과 같은 금속 전극일 수 있다.
본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 국부적으로 다른 분자층수를 갖는 복수의 영역들 사이에 각각 형성된 다수의 헤테로 접합(멀티 헤테로 접합)을 포함하고 있어, 우수한 전기적, 광학적 특성을 나타낼 수 있다. 때문에, 이를 포함하는 본 발명의 광전 소자는 우수한 소자 성능을 나타낼 수 있다.
이를 보다 구체적으로 설명하기 위해, 상기에서 도 1c를 참조하여 설명한 것과 같은, 제1, 제2, 및 제3 영역을 구비하는 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 구체적인 예를 들면, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역 사이에 형성된 헤테로 접합(이하, 2-3 헤테로 접합)에서는 샤프(sharp)한 광전류 피크를 얻을 수 있다. 이것은 상대적으로 가장 두꺼운 분자층수를 갖는 상기 제1 영역 보다 더 광학적으로 활성을 갖기 때문에 2-3 헤테로 접합에서 보다 효과적으로 전자-정공 쌍(electron-hole pair)이 생성되는 것에 기인할 수 있다. 또한, 상기 제3 영역에서 생성된 엑시톤(exciton)이 상기 제2 영역 방향으로 확산되어 2-3 헤테로 접합으로 이동하게 되면, 제2 영역의 낮은 엑시톤 결합 에너지(exciton binding energy)로 인해 엑시톤이 분리되고, 분리된 엑시톤이 추가적인 캐리어로서 작용하게 된다. 뿐만 아니라, 소스 전극과 2-3 헤테로 접합 사이의 거리를 정공 확산 길이 보다 길게 제작하는 경우, 정공이 소스 전극까지 확산되기 전 재조합이 발생하여 소스 전극 영역 아래의 산화물 층에서 전하가 트래핑(trapping)되는 현상을 감소시킬 수 있다. 때문에, 2-3 헤테로 접합에서는 빠른 일과성 반응(transient response)을 얻을 수 있다. 따라서, 멀티 헤테로 접합을 포함하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 본 발명의 광전 소자는 우수한 소자 성능을 나타낼 수 있다. 이때, 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막은 채널층으로서 역할을 할 수 있다.
상기 광전 소자는 포토디텍터(photodetector), 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransitor)와 같은 소자일 수 있다. 일례로, 상기 광전 소자는 전계효과 트랜지스터(field effect transitor)일 수 있다.
본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 제조하기 위해, 제1 마스크 패턴이 형성된 N+M개의 분자층으로 이루어진 전이금속 디칼코게나이드 박막을 원자층 식각(atomic layer etching (ALE))하여, N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 분자층으로부터 연장된 N개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역과 인접한 제2 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 형성한다((a) 단계).
이때, N, M은 양의 정수이고, 즉, 상기 N+M 개의 분자층으로 이루어진 전이금속 디칼코게나이드 박막은 적어도 2개의 분자층으로 이루어진다.
상기 원자층 식각은 플라즈마를 이용한 식각일 수 있고, 라디칼을 이용한 화학적 흡착 단계 및 반응성 화합물에 의한 물리적 탈착 단계가 하나의 사이클로 구성될 수 있다. 이를 도 3을 참조하여, 전이금속 디칼코게나이드로서 MoS2를 이용하는 구체적인 예를 들어 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 먼저, MoS2 박막은 MoS2 분자가 형성하는 층상 구조물은 단일층이 top S 원자층과 bottom S 원자층 사이에 Mo 원자층이 배치된 구조를 갖는다. 이때, MoS2 박막에 Cl, O과 같은 라디칼을 노출시키면, 라디칼(Cl)은 top S 원자에 의해 흡착되고 반데르발스 힘에 의해 top S 층과 Mo 층 사이에 트랩된다(화학적 흡착 단계). 다음, Ar+ 양이온과 같은 반응성 화합물을 이용한 탈착(desorption)과정을 거친다. 흡착된 라디칼이 top S 원자와 반응하여 top S 원자의 결합 에너지(binding energy)가 낮아진 상태이기 때문에, 반응성 화합물에 노출되었을 때 S-Cl 결정 구조로부터 top S원자가 가장 먼저 제거된다. 그 후, 트랩 되어있던 라디칼이 Mo와 Mo-Cl을 형성하여 Mo와 bottom S 사이의 결합을 약하게 만든다. 따라서, 반응성 화합물에 의해 Mo가 결정구조로부터 제거되며, bottom S 원자는 반응성 화합물의 선택적인 스퍼터링(sputtering)에 의해 제거된다(물리적 탈착 단계). 즉, 1개의 MoS2 분자층을 제거할 수 있다. 이때, 반응성 화합물은 이온빔의 형태로 제공될 수 있다. 상기 라디칼에 의한 화학적 흡착 또는 반응성 화합물에 의한 물리적 탈착을 각각 수행하는 경우에는 식각 물질 표면에서 변화가 나타나지 않지만, 본 발명과 같이 상기 화학적 흡착 및 상기 물리적 탈착을 하나의 사이클로 수행하는 경우 식각 물질의 손상 없이 단일층을 제거할 수 있다. 때문에, 제1 마스크 패턴이 형성된 전이금속 디칼코게나이드 박막을 선택적으로 플라즈마를 이용하여 원자층 식각함으로써, 기존의 습식 식각, 어닐링 공정을 이용한 식각과 비교하여 보다 정밀하게 목적하는 패턴 및 크기로 분자층을 제거할 수 있다. 또한, 기존의 습식 식각, 어닐링 공정에 비해 공정온도가 낮으므로(상온) 전이금속 디칼코게나이드 박막에 손상을 일으키지 않으므로 안정적이고 정교하게 분자층의 수를 조절할 수 있다.
이때, N+M개의 분자층으로 이루어진 전이금속 디칼코게나이드 박막을 원자층 식각하여, N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 분자층으로부터 연장된 N개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역과 인접한 제2 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 형성하기 위해서는 상기 (a) 단계에서 1개의 분자층을 식각하는 공정을 M번 반복 수행할 수 있다. 즉, 원자층 식각을 반복 수행하여 원하는 분자층의 수를 제어할 수 있다. 이때, 상기 N개의 분자층은 적어도 일층이다.
다시 말하면, 마스크 패턴이 형성된 전이금속 디칼코게나이드 박막의 원자층 식각을 통해 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막이 목적하는 패턴 및 분자층수를 갖도록 선택적으로 제어함으로써, 국부적으로 서로 다른 분자층수를 갖는 영역들을 구비하고 상기 영역들 사이에 헤테로 접합이 형성된 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 제조할 수 있다.
또한, 상기 (a) 단계 이후에, 상기 제2 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막 상에 제2 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및 제2 마스크 패턴이 형성된 상태에서 원자층 식각하여 N-K(N-K는 양의 정수)개의 분자층으로 이루어진 제3 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 형성하는 (b) 단계를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 (b) 단계에서 상기 (a) 단계에서 설명한 것과 같은 원자층 식각 공정을 수행할 수 있고, 상기 (b) 단계는 1개의 분자층을 식각하는 공정을 K번 반복 수행하여 상기 제3 영역이 목적하는 분자층수(N-K(N-K는 양의 정수)개를 갖도록 할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계에서, N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역의 일부가 식각되어 N+M-K개의 분자층이 잔류하는 제4 영역이 상기 제3 영역과 함께 형성될 수 있다. 구체적으로 설명하면, 상기 (b) 단계에서, 상기 N-K개의 분자층으로 이루어진 제3 영역을 형성하면서, 동시에 상기 (a) 단계에서 식각되지 않은 N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역의 일부를 식각하여 N+M-K개의 분자층으로 이루어진 제4 영역을 형성할 수 있다. 이때, 일례로, 상기 K가 M과 동일한 경우, 상기 제4 영역은 N개의 분자층으로 이루어진 제2 영역일 수 있다.
상기 공정에서, 마스크 패턴은 상기 포토리소그래피(Photolithography) 및 블록 공중합체(Block copolymer, BCP)를 이용한 DSA(directed self-assembly) 리소그래피 중 적어도 어느 하나의 공정을 수행하여 형성할 수 있다. 이때, 리소그래피를 이용하여 상기 전이금속 디칼코게나이드에 마스크 패턴을 형성함으로써, 10 nm 이하의 선폭(상기 영역들의 폭)을 가지는 다양한 패턴을 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 목적하는 다양한 형태의 마스크 패턴이 형성된 상태에서 원자층 식각을 통해 상기 전이금속 디칼코게나이드 박막을 선택적으로 식각함으로써, 다양한 분자층수를 갖는 복수의 영역들이 다양한 패턴 및 헤테로 접합을 이루는 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 형성할 수 있다.
이하에서는, 구체적인 실시예들 들어 본 발명의 전이금속 디칼코게나이드 박막과 이를 포함하는 소자를 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 전이금속 디칼코게나이드로서 MoS2를 이용하여, Si/SiO2 기판 상에 동일한 분자층수를 갖는 다중 분자층 MoS2 박막을 형성하고, 상기 MoS2 박막 상에 마스크 패턴을 형성한 후, 마스크 패턴이 형성된 MoS2 박막을 플라즈마 원자층 식각하여, 단일층 MoS2 영역 및 다중층 MoS2 영역이 헤테로 접합된 구조를 갖는 MoS2 박막(이하, 단일층/다중층 헤테로접합 MoS2 박막)을 형성하였다. 이어서, 상기 단일층/다중층 헤테로접합 MoS2 박막 상에 소스 및 드레인 전극(Au/Ti)을 형성하여, 본 발명의 실시예 1에 따라 단일층/다중층 헤테로접합 MoS2 박막을 포함하는 전계효과 트랜지스터(이하, 전계효과 트랜지스터)를 제조하였다.
그 다음, 본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터의 광반응성을 측정하였고, 그 결과를 도 4에 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계효과 트랜지스터의 광반응성 향상 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 MoS2 전계효과 트랜지스터 다양한 값의 레이저 전력 하에서 광반응성을 측정하였을 시, 채널로서 접합 구조를 포함하지 않는 단일층의 MoS2 박막을 포함하는 포토디텍터 소자에서 측정되는 값 보다 높은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명의 단일층/다중층 헤테로접합 MoS2 박막을 포함하는 전계효과 트랜지스터의 광반응성이 단일층의 MoS2를 포함하는 소자보다 더 우수함을 의미한다.
즉, 본 발명의 단일층/다중층의 다중 헤테로접합 구조를 갖는 전이금속 디칼코게나이드 박막이 단일층의 전이금속 디칼코게나이드 박막과 비교하여 더 우수한 광반응성을 나타낼 수 있고, 이에, 본 발명의 다중 헤테로접합 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하는 광전자 소자가 우수한 성능을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 기판; 및
    N+M(N 및 M은 각각 양의 정수)개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로부터 연장된 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역과 인접한 제2 영역을 구비하고 상기 기판 상에 배치된 전이금속 디칼코게나이드 박막을 포함하고,
    상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 각각 적어도 둘 이상 구비하는 것을 특징으로 하며,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 헤테로 접합이 형성된,
    반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 분자층은 a+b(a 및 b는 각각 양의 정수)개의 분자층으로 이루어지고,
    상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 N개의 분자층으로 이루어진 제2 영역 중 적어도 어느 하나의 a개의 분자층으로부터 연장된 a개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 인접한 제3 영역을 더 포함하며,
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 상기 제3 영역 사이에 헤테로 접합이 형성된,
    반도체 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역을 각각 적어도 둘 이상 구비하는 것을 특징으로 하는,
    반도체 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    전이금속 디칼코게나이드 분자는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 및 아연(Zn) 중 어느 하나의 전이금속 원자 하나 및 셀레늄(Se), 황(S), 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나의 칼코겐(chalcogen) 원자 두 개가 결합된 것을 특징으로 하는,
    반도체 소자.
  5. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, N+M(N 및 M은 각각 양의 정수)개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로부터 연장된 N개의 전이금속 디칼코게나이드 분자층으로 이루어지고 상기 제1영역과 인접한 제2 영역을 구비하며, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이에 헤테로 접합이 형성된 전이금속 디칼코게나이드 박막; 및
    상기 전이금속 디칼코게나이드 상에 배치된 전극을 포함하고,
    상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역을 각각 적어도 둘 이상 구비하는 것을 특징으로 하는,
    광전 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 N개의 분자층은 a+b(a 및 b는 각각 양의 정수)개의 분자층으로 이루어지고,
    상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 N개의 분자층으로 이루어진 제2 영역 중 적어도 어느 하나의 a개의 분자층으로부터 연장된 a개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 인접한 제3 영역을 더 포함하며,
    상기 제1 영역 및 상기 제2 영역 중 적어도 어느 하나와 상기 제3 영역 사이에 헤테로 접합이 형성된,
    광전 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전이금속 디칼코게나이드 박막은 상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역을 각각 적어도 둘 이상 구비하는 것을 특징으로 하는,
    광전 소자.
  8. 제5항에 있어서,
    전이금속 디칼코게나이드 분자는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 주석(Sn), 카드뮴(Cd), 및 아연(Zn) 중 어느 하나의 전이금속 원자 하나 및 셀레늄(Se), 황(S), 및 텔루륨(Te) 중 어느 하나의 칼코겐 원자 두 개가 결합된 것을 특징으로 하는,
    광전 소자.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 광전 소자는 포토디텍터(photodetector), 포토다이오드(photodiode), 및 포토트랜지스터(phototransitor) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광전 소자.
  10. 제1 마스크 패턴이 형성된 N+M(N 및 M은 양의 정수)개의 분자층으로 이루어진 전이금속 디칼코게나이드 박막을 원자층 식각하는 (a) 단계를 포함하고,
    상기 원자층 식각은 화학적 흡착 단계 및 물리적 탈착 단계가 하나의 사이클로 구성되어 전이금속 디칼코게나이드 박막에서 1개의 분자층을 식각하며,
    상기 (a) 단계에서 1개의 분자층을 식각하는 사이클을 M번 반복 수행하여, N+M개의 분자층으로 이루어진 제1 영역 및 상기 제1 영역의 상기 N개의 분자층으로부터 연장된 N개의 분자층으로 이루어지고 상기 제1 영역과 인접한 제2 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는,
    전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 화학적 흡착 단계에서 화학적 흡착은 라디칼을 이용하여 수행하고,
    상기 물리적 탈착 단계에서 물리적 탈착은 반응성 화합물을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는,
    전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (a) 단계 이후에,
    상기 제2 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막 상에 제2 마스크 패턴을 형성하는 단계; 및
    제2 마스크 패턴이 형성된 상태에서, 1개의 분자층을 식각하는 사이클을 K(K는 양의 정수)번 반복 수행하여 상기 제2 영역을 원자층 식각하여 N-K(N-K는 양의 정수)개의 분자층으로 이루어진 제3 영역을 구비하는 전이금속 디칼코게나이드 박막을 형성하는 (b) 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
KR1020170097527A 2017-08-01 2017-08-01 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법 KR101853588B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170097527A KR101853588B1 (ko) 2017-08-01 2017-08-01 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법
US16/050,063 US10593819B2 (en) 2017-08-01 2018-07-31 Semiconductor device, photoelectronic device, and method for manufacturing transition-metal dichalcogenide thin film
US16/775,821 US10916670B2 (en) 2017-08-01 2020-01-29 Semiconductor device, photoelectronic device, and method for manufacturing transition-metal dichalcogenide thin film

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170097527A KR101853588B1 (ko) 2017-08-01 2017-08-01 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101853588B1 true KR101853588B1 (ko) 2018-04-30

Family

ID=62081047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170097527A KR101853588B1 (ko) 2017-08-01 2017-08-01 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법

Country Status (2)

Country Link
US (2) US10593819B2 (ko)
KR (1) KR101853588B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019084688A (ja) * 2017-11-01 2019-06-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 二次元層状材料の積層体
KR20200092567A (ko) * 2019-01-25 2020-08-04 한국전력공사 나노넷 전이금속 칼코겐 화합물 박막의 제조 방법 및 그 방법에 따른 나노넷 전이금속 칼코겐 화합물 박막을 포함하는 포토트랜지스터
KR20200103372A (ko) * 2019-02-25 2020-09-02 성균관대학교산학협력단 광전 소자, 포토다이오드 및 포토트랜지스터
US10854445B2 (en) 2018-06-08 2020-12-01 Electronics And Telecommunications Research Institute Infrared optical sensor and manufacturing method thereof

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11069822B2 (en) * 2016-07-08 2021-07-20 Cornell University Transition metal chalcogenide van der waals films, methods of making same, and apparatuses and devices comprising same
US10566212B2 (en) 2016-12-19 2020-02-18 Lam Research Corporation Designer atomic layer etching
US11522069B2 (en) * 2019-05-23 2022-12-06 University Of Utah Research Foundation Thin-film semiconductors
US11430666B2 (en) * 2019-12-31 2022-08-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device
CN112510149B (zh) * 2020-12-07 2022-09-02 深圳英集芯科技股份有限公司 一种基于二维材料的负阻器件制备方法
WO2023039382A1 (en) * 2021-09-07 2023-03-16 Lam Research Corporation Atomic layer etching using boron trichloride

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017043704A1 (ko) 2015-09-09 2017-03-16 인천대학교 산학협력단 자외선 포토 디텍터 및 그 제조방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8642455B2 (en) * 2004-02-19 2014-02-04 Matthew R. Robinson High-throughput printing of semiconductor precursor layer from nanoflake particles
US20070163383A1 (en) * 2004-02-19 2007-07-19 Nanosolar, Inc. High-throughput printing of nanostructured semiconductor precursor layer
EP2661775A1 (en) * 2011-01-04 2013-11-13 Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) Semiconductor device
US10269564B2 (en) * 2017-03-17 2019-04-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Method of forming a semiconductor device using layered etching and repairing of damaged portions

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017043704A1 (ko) 2015-09-09 2017-03-16 인천대학교 산학협력단 자외선 포토 디텍터 및 그 제조방법

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Mahmut Tosun et al., "MoS2 Heterojunctions by Thickness Modulation", Scientific Reports 5, Article number:10990
Sangeeth Kallatt et al., "Photoresponse of atomically thin MoS2 layers and their planar heterojunctions", Nanoscale, Vol.8, pp.15213-15222*
Sarah L. Howell et al., "Investigation of Band-Offsets at Monolayer-Multilayer MoS2 Junctions by Scanning Photocurrent Microscopy", Nano Letters, Vol.15, pp.2278-2284*

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019084688A (ja) * 2017-11-01 2019-06-06 国立研究開発法人産業技術総合研究所 二次元層状材料の積層体
JP7012347B2 (ja) 2017-11-01 2022-02-14 国立研究開発法人産業技術総合研究所 二次元層状材料の積層体
US10854445B2 (en) 2018-06-08 2020-12-01 Electronics And Telecommunications Research Institute Infrared optical sensor and manufacturing method thereof
KR20200092567A (ko) * 2019-01-25 2020-08-04 한국전력공사 나노넷 전이금속 칼코겐 화합물 박막의 제조 방법 및 그 방법에 따른 나노넷 전이금속 칼코겐 화합물 박막을 포함하는 포토트랜지스터
KR102149891B1 (ko) 2019-01-25 2020-08-31 한국전력공사 나노넷 전이금속 칼코겐 화합물 박막의 제조 방법 및 그 방법에 따른 나노넷 전이금속 칼코겐 화합물 박막을 포함하는 포토트랜지스터
KR20200103372A (ko) * 2019-02-25 2020-09-02 성균관대학교산학협력단 광전 소자, 포토다이오드 및 포토트랜지스터
KR102214673B1 (ko) * 2019-02-25 2021-02-09 성균관대학교산학협력단 광전 소자, 포토다이오드 및 포토트랜지스터
US11424375B2 (en) 2019-02-25 2022-08-23 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Photoelectronic device, photodiode, and phototransistor

Also Published As

Publication number Publication date
US10593819B2 (en) 2020-03-17
US10916670B2 (en) 2021-02-09
US20190044009A1 (en) 2019-02-07
US20200176620A1 (en) 2020-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101853588B1 (ko) 반도체 소자, 광전 소자, 및 전이금속 디칼코게나이드 박막의 제조 방법
KR102325523B1 (ko) 금속 칼코게나이드 소자 및 그 제조 방법
US8039926B2 (en) Method for manufacturing N-type and P-type chalcogenide material, doped homojunction chalcogenide thin film transistor and method of fabricating the same
KR102526649B1 (ko) 이차원 물질을 포함하는 반도체소자 및 그 제조방법
KR102232755B1 (ko) 2차원 물질을 이용한 전자소자 및 그 제조 방법
KR102334380B1 (ko) 2차원 물질을 포함하는 소자의 제조 방법
KR102149891B1 (ko) 나노넷 전이금속 칼코겐 화합물 박막의 제조 방법 및 그 방법에 따른 나노넷 전이금속 칼코겐 화합물 박막을 포함하는 포토트랜지스터
JP2008199005A (ja) 薄膜トランジスタ及びその製造方法
KR20210117004A (ko) 2d 물질로 이루어진 채널을 구비하는 전계 효과 트랜지스터
JP2019507954A (ja) グローバル電子シャッタを提供する画像センサを含む、画像センサ
US11664218B2 (en) Semiconductor device and method
KR20140090021A (ko) 그래핀 전자 소자 및 그 제조 방법
KR100521433B1 (ko) 실리콘 양자점의 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 메모리소자의 제조 방법
KR101826052B1 (ko) 2차원 반도체를 이용한 전자 소자의 전극 형성 방법 및 그 전극 소자
KR100966008B1 (ko) 상온동작 단전자 소자 및 그 제조방법
US11424375B2 (en) Photoelectronic device, photodiode, and phototransistor
CN109300989B (zh) 一种硒化铟晶体管及其制造方法
KR100809440B1 (ko) ｎ-형 및 ｐ-형 ＣＩＳ를 포함하는 박막트랜지스터 및 그제조방법
KR101541529B1 (ko) 그래핀 소자 및 그의 제조방법
JP4850389B2 (ja) ドーピング方法およびそれを用いた半導体素子
US20070267679A1 (en) Nonvolatile memory devices including floating gates formed of silicon nano-crystals and methods of manufacturing the same
US20210090949A1 (en) Semiconductor structure and fabrication method thereof
KR102259199B1 (ko) 흑린층을 활성층으로 포함하는 저항 변화 메모리 소자 및 이의 제조방법
KR102320117B1 (ko) 그래핀-반도체 이종접합 광전소자 및 이의 제조방법
CN113764584A (zh) 一种n型纳米半导体器件及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant