KR101857436B1 - MPSx 물질 기반의 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터 - Google Patents

MPSx 물질 기반의 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 층상구조를 갖는 전이 금속이 결합된 황화인(transition metal phosphorus sulfides, MPSx; M=전이금속, x≤10) 기반의 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터에 관한 것으로, 기판 상에 마련된 채널층과; 서로 이격되게 형성되어 상기 채널층에 전압을 인가하기 위한 소스 전극 및 드레인 전극과; 상기 채널층에 전계를 형성하도록 마련된 게이트 전극과; 상기 채널층과 상기 게이트 전극 사이에 마련되는 게이트 절연층을 포함하는 전계효과 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 절연층은 층상구조를 갖는 전이금속이 결합된 황화인인 것을 특징으로 한다.

Description

MPSx 물질 기반의 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터{Field effect transistor using gate insulator based on transition metal phosphorus sulfides materials}
본 발명은 층상구조를 갖는 전이 금속이 결합된 황화인(transition metal phosphorus sulfides, MPSx; M=전이금속, x≤10) 기반의 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터에 관한 것이다.
도 1의 (a)(b)는 일반적인 전계효과 트랜지스터의 단면 구성을 보여주는 도면으로서, 전계효과 트랜지스터는 게이트 전극(10), 게이트 절연층(20), 소스/드레인 전극(30)(40), 반도체 활성층(50)으로 구성되며, 게이트 전극(10)의 전압은 게이트와 접해 있는 게이트 절연층(20)의 전위를 조절하게 되며, 게이트 절연층(20)의 분극방향에 의해 반도체 채널에 생기는 캐리어 경로(carrier path)에 의해 소스 전극(30)과 드레인 전극(40) 사이의 전류의 흐름을 조절할 수 있다.
일반적으로 게이트 절연물질로는 산화물이 주로 이용되고 있으며, 대표적으로 SiO2, Al2O3, HfO 등이 있다. 그러나 이와 같은 산화물 계열의 게이트 절연물질은 낮은 증착 온도를 사용한 경우 산소 결함으로 인한 소자의 특성 저하와 외부에서 힘을 가하였을 때 생기는 크랙에 의한 누설전류의 발생 등으로 인해 유연한 투명 소자로 응용하는데 많은 제한이 있다.
또한 최근에 차세대 반도체 기술에 사용하기 위한 잠재적인 대안 물질로서 그래핀 기반의 소자에 대한 많은 개발이 이루어지고 있으며, 그래핀 기반의 전자 소자는 금속 산화물 반도체(metal-oxide-semiconductor; MOS) 구조를 가진 디바이스의 제작의 용이성 때문에 SiO2/Si 기재 상에서 제조되었다. 그러나 SiO2 기재 상에 형성된 하부 게이트 그래핀 전계효과 트랜지스터(FETs)의 성능은 하전된 불순물 산란, 표면 포논(phonon)에 의한 외인성 산란, 원자 스케일 결함으로부터의 공명산란 및 잔여 흡착물질에 의한 주름(corrugation) 또는 도핑에 의해 제한된다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로는 고유전율(high-K)을 가지는 상부 게이트 절연물질을 사용하는 것이다.
최근 G. H. Lee 등의 ACS Nano, 2013. 7(9), pp 7931-7936에서는 육각형 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 게이트 절연물질로 사용하고 이황화몰리브덴(MoS2)을 반도체 활성층으로 사용한 전계효과 트랜지스터를 발표하였으며, 이러한 전계효과 트랜지스터는 2차원구조를 갖는 물질을 사용하여 유연하고 투명한 소자로 활용될 수 있음을 보여준다.
한편, 층상 구조를 갖는 h-BN은 전기적으로 절연체이면서 유연하고 투명한 특성을 갖고 있으며, 산화물 절연체 박막에 비해 제작이 용이하여 2차원 전계효과 소자의 게이트 절연물질로써 많은 연구가 이루어지고 있으나, 산화물 절연체 박막과 비교하였을 때 유전율이 낮아서 전계효과 소자의 특성 개선에 많은 제한이 된다.
공개특허공보 제10-2015-0062878호(공개일자: 2015.06.08)
: "Flexible and Transparent MoS2 Field-Effect Transistors on Hexagonal Boron Nitride-Graphene Heterostructures"; G. H. Lee, Y. J. Yu, X. Cui, N. Petrone, C. H. Lee, M. S. Choi. D. Y. Lee, C. G. Lee, W. J. Yoo, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Nuckolls, P. Kim, J. Hone; ACS Nano, 2013. 7(9), pp 7931-7936.
본 발명은 층상구조를 갖는 전이 금속이 결합된 황화인(transition metal phosphorus sulfides, MPSx; M=전이금속, x≤10) 기반의 고유전율 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 전계효과 트랜지스터는, 기판 상에 마련된 채널층과; 서로 이격되게 형성되어 상기 채널층에 전압을 인가하기 위한 소스 전극 및 드레인 전극과; 상기 채널층에 전계를 형성하도록 마련된 게이트 전극과; 상기 채널층과 상기 게이트 전극 사이에 마련되는 게이트 절연층을 포함하는 전계효과 트랜지스터에 있어서, 상기 게이트 절연층은 층상구조를 갖는 전이금속이 결합된 황화인(MPSx, M=전이금속, x≤10)인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 게이트 절연층은 CrPS4, MnPS3, 또는 NiPS3 인 것을 특징으로 하며, 상기 채널층은 2차원의 층상구조를 갖는 반도체 물질인 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 상기 채널층은 3층 이하로 적층된 그래핀이거나 MoS2인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전계효과 트랜지스터는, 고유전체인 층상구조를 갖는 전이금속이 결합된 황화인(MPSx, M=전이금속, x≤10)을 게이트 절연물질로 사용하여 개선된 특성을 갖는 전계효과 소자를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1의 (a)(b)는 일반적인 전계효과 트랜지스터의 단면 구성을 보여주는 도면,
도 2의 (a)(b)(c)(d)는 화학 기상 증착법을 이용하여 CrPS4의 제작과정을 간략히 보여주는 도면,
도 3은 화학 기상 증착법에서 노 내의 설정 온도 조건을 보여주는 그래프,
도 4는 화학 기상 증착법에 의해 제작된 CrPS4의 SEM-EDX 측정결과를 보여주는 데이터,
도 5의 (a)(b)(c)(d)는 각각 SiO2, CrPS4, MnPS3, 및 NiPS3 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터의 광학적 이미지,
도 6의 (a)(b)(c)는 각각 CrPS4, MnPS3, 및 NiPS3 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터의 전기적 특성 측정결과를 보여주는 그래프,
도 7의 (a)(b)는 각각 SiO2 게이트 절연물질과의 전계효과 트랜지스터의 특성 비교를 통한 CrPS4의 유전상수 계산결과를 보여주는 그래프 및 표.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 구성요소의 '상(위) 또는 하(아래)'에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성요소가 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소가 위 두 구성요소 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 '상(위) 또는 하(아래)'로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 전계효과 트랜지스터는, 기판 상에 마련된 채널층과; 서로 이격되게 형성되어 상기 채널층에 전압을 인가하기 위한 소스 전극 및 드레인 전극과; 상기 채널층에 전계를 형성하도록 마련된 게이트 전극과; 상기 채널층과 상기 게이트 전극 사이에 마련되는 게이트 절연층을 포함하는 것은 일반적인 전계효과 트랜지스터와 실질적으로 동일하며, 특히 본 발명에서 게이트 절연층은 층상구조를 갖는 전이금속이 결합된 황화인(PSx)인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 채널층은 2차원의 층상구조를 갖는 반도체 물질이 사용될 수 있으며, 바람직하게는, 적층 형성된 그래핀(graphene) 또는 MoS2를 포함한다.
그래핀은 단층 그래핀 또는 적은 수의 그래핀(few-layer graphene)이 적층된 것일 수 있다. 대략 4층 이상으로 적층된 그래핀은 금속에 가까운 전기적 성질을 갖는 반면에, 3층 이하로 적층된 그래핀은 상대적으로 반도체에 가까운 성질을 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에서 그래핀 채널층은 3층 이하로 적층됨이 바람직하다.
특히, 본 발명에서 게이트 절연층은 층상구조를 갖는 전이금속이 결합된 황화인(transition metal phosphorus sulfides) 물질이 사용됨을 특징으로 하며, 예컨대, MPSx로 표현될 수 있고, 여기서, 'M'은 전이금속이며, x는 10 이하, 바람직하게는, 2 ~ 6의 값을 갖는다. M은 Cr, Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Fe, Mn, Ni 등의 전이금속을 포함한다.
MPSx는 기본적으로 육각밀집구조(hexagonally close packed)인 황화층(Sulfur layer)을 갖는 층상 구조로서, 유전율이 SiO2 및 h-BN 보다 높은 것을 확인할 수 있었다.
이하, 본 실시예에서는 전이금속으로서 Cr이 결합된 황화인(CrPS4)을 게이트 절연물질로 사용하여 전계효과 트랜지스터를 제작하여 전기적 특성과 함께 CrPS4의 유전상수를 구하였으며, 이에 대하여 설명하도록 한다.
CrPS 4 의 제작
도 2의 (a)(b)(c)(d)는 화학 기상 증착법(chemical vapor transport, CVT)을 이용한 CrPS4의 제작과정을 간략히 보여주는 도면이다.
도 2의 (a)를 참고하면, 수분과 산소가 제거된 글러브 박스(50) 내에서 시재료(starting material)(Cr,P,S)를 알맞은 조성비로 혼합하여 석영관(60) 내에 넣고 공기가 통하지 않도록 임시로 막는다.
다음으로, 밀봉된 석영관(60)을 글로브 박스(50)에서 꺼낸 후에, 도 2의 (b)에 도시된 것과 같이, 석영관(60)을 펌핑하여 내부의 공기를 빼내면서 토치를 이용하여 석영관(60)을 완전히 밀봉한다.
밀봉된 석영관(60)은, 도 2의 (c)에 도시된 것과 같이, 두 구역으로 나눠진 노(furnace)(70)에 넣고 물질 형성에 알맞은 온도를 조절한다. 참고로, 노(30) 내에 온도 조건은 도 3에 예시된 그래프를 참고하여 이루어질 수 있다.
다음으로 석영관(60)을 실온까지 식힌 후에, 도 2의 (d)에 도시된 것과 같이, 후드(80) 내에서 석영관(60)을 깨고 벌크 형태의 CrPS4를 수집한다.
도 4는 화학 기상 증착법에 의해 제작된 CrPS4의 SEM-EDX 측정결과를 보여주는 데이터로서, 제작된 CrPS4의 임의의 세 영역(빨강, 파랑, 초록)에 대한 조성분석결과, P, S, Cr 원자의 비율이 각각 1:4:1임을 알 수 있으며, 따라서 CVT 방법에 의해 CrPS4 벌크가 성장되었음을 확인할 수 있다.
전계효과 트랜지스터의 제작
도 5의 (a)(b)(c)(d)는 각각 SiO2, CrPS4, MnPS3, 및 NiPS3 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터의 광학적 이미지로서, 본 실시예에서는 SiO2와 접합된 CrPS4, MnPS3, 및 NiPS3 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터를 제작하였다.
제작 과정은 SiO2 게이트 절연층(기판)에 박리법을 이용하여 채널층으로서 그래핀을 전사한 후에 전자빔 리소그래피 공정에 의해 소스, 드레인 및 게이트 전극을 증착하여 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제작하였다(도 5의 (a)).
다음으로, 준비된 벌크 형태의 CrPS4, MnPS3, 및 NiPS3를 박리법에 의해 박막 형태로 제작하여 그래핀 전계효과 트랜지스터에 전사함으로써 하부에는 공통적으로 SiO2 게이트 절연층이 마련되고 상부에는 각각 CrPS4, MnPS3, NiPS3 게이트 절연층을 갖는 3개의 그래핀 전계효과 트랜지스터를 제작하였다.
도 6의 (a)(b)(c)는 각각 CrPS4, MnPS3, 및 NiPS3 게이트 절연물질을 이용한 전계효과 트랜지스터의 전기적 특성 측정결과를 보여주는 그래프로서, CrPS4, MnPS3, 및 NiPS3를 게이트 절연층으로 사용했을 경우, 게이트 전압을 마이너스에서 플러스 전압으로 증가시키면서 그래핀의 전기적 특성이 달라짐을 알 수 있으며, 이를 통하여 CrPS4, MnPS3, 및 NiPS3 게이트 절연층의 전계효과가 그래핀의 도핑상태를 변화시킴을 확인할 수 있다.
도 7의 (a)(b)는 SiO2 게이트 절연물질과의 전계효과 트랜지스터의 특성 비교를 통한 CrPS4의 유전상수 계산결과를 보여주는 그래프 및 표이다.
도 7의 (a)를 참고하면, 하부의 SiO2 게이트 절연층에 고정된 전압을 인가해줌과 동시에 상부의 CrPS4 게이트 절연층에 -10V ~ +10V의 전압을 1V 간격으로 증가시켰으며, 이와 같이 SiO2 게이트 절연층의 인가 전압에 따라서 그래핀의 디랙점(dirac point)이 나타나는 게이트 전압이 이동함을 확인할 수 있다. 또한 이 현상을 이용하여 CrPS4의 유전상수를 계산하여 4.8의 유전상수 값을 얻을 수 있다. 도 7의 (b)에서와 같이, CrPS4의 게이트 절연물질은 SiO2 및 h-BN의 유전상수와 비교하여 상당히 큰 것을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 게이트 전극 20 : 게이트 절연층
30 : 소스 전극 40 : 드레인 전극
50 : 반도체 활성층

Claims (5)

  1. 기판 상에 마련된 채널층과; 서로 이격되게 형성되어 상기 채널층에 전압을 인가하기 위한 소스 전극 및 드레인 전극과; 상기 채널층에 전계를 형성하도록 마련된 게이트 전극과; 상기 채널층과 상기 게이트 전극 사이에 마련되는 게이트 절연층을 포함하는 전계효과 트랜지스터에 있어서,
    상기 게이트 절연층은 층상구조를 갖는 CrPS4 또는 NiPS3 인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 채널층은 2차원의 층상구조를 갖는 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 채널층은 3층 이하로 적층된 그래핀인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 채널층은 MoS2인 것을 특징으로 하는 전계효과 트랜지스터.
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