KR101945231B1 - 2차원 물질 기반의 능동소자 - Google Patents

2차원 물질 기반의 능동소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 하부 전극; 상기 하부 전극의 상면에 배치된 하부 절연체; 상기 하부 절연체의 상면에 배치된 2차원 물질층; 상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 제1 전극; 상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 절연체; 및 상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 제1 전극부 및 상기 제1 전극부와 전기적 및 물리적으로 연결되고 상기 절연체의 상면에 배치된 제2 전극부를 포함하는 제2 전극;을 포함한다. 이러한 실시 형태에 따른 능동소자는, 하부 전극이 게이트(gate)로서 기능하여 하부 전극으로 인가되는 게이트 전압(Vgate)에 따라 2차원 물질층의 도핑 농도를 조절할 수 있다. 따라서, 실시 형태에 따른 능동소자는 동작전압을 가변시킬 수 있는 다이오드로서 이용될 수 있다.

Description

2차원 물질 기반의 능동소자{ACTIVE ELEMENT BASED ON 2D MATERIAL}
본 발명은 능동소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 2차원 물질을 기반으로 새로운 구조를 갖는 능동소자에 관한 것이다.
능동소자(Active element)란 외부에서 에너지를 공급받아 증폭이나 발진, 변환 등의 작용을 할 수 있는 소자를 말한다.
능동소자의 예로서 연산 증폭기, 다이오드 및 트랜지스터가 있다. 전원 공급장치는 능동소자에 해당되지 않으며, 저항, 콘덴서 및 코일 등은 수동소자라 한다.
2차원 물질(2D material)이란 단일 원자 및 단일 화합물로 구성된 단층 물질(single layer materials)로써 정의된다. 2004년 최초로 그래핀(graphene)이 발표된 이후, 그래파인(graphyne), 보로핀(borophene), 저마닌(germanene), 실리신(silicene), 스테닌(stanene), 포스포린(phosphorene), 보론 질화물(boron nitride), 전이금속-칼코겐 화합물(transition metal di-chalcogenides, TMDCs), 단일층 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 등 수백 가지 물질이 보고되고 있다. 이러한 2차원 물질들은 3차원 상태와는 다른 물성을 보이거나 빛에 대한 투명도 및 기계적 특성때문에 투명 전극, 투명 소자, 유연 소자(flexible device) 등 다양한 광전자 소자에 응용이 가능하다.
2차원 물질 중에서 그래핀은, 탄소 원자가 2차원 상에 벌집 모양으로 배열을 이루는 물질로써, 전기 전도도 및 열 전도도가 매우 우수하여 투명 전극, 고속 전자소자 등에 대한 응용 연구가 많이 이루어지고 있는 물질이다. 지금까지 대면적 그래핀 합성 및 전사 기술, 도핑 기술, 패터닝 기술 등이 개발되어 상용화 수준에 이르렀다.
그러나 그래핀은 클라인 터널링(Klein tunneling) 이라는 양자역학적 현상에 의해 p형 그래핀과 n형 그래핀이 접촉하여도 저항으로써만 동작한다. 이는 기존의 반도체 물질과는 다른 특성으로써 도핑 농도에 무관하게 전류 흐름의 방향성이 없어지므로, 다이오드 또는 트랜지스터와 같은 능동소자의 제작이 어려웠다. 비록 그래핀은 실리콘과 같은 반도체 물질과의 이종접합(heterojunction)을 형성할 경우에 전류 흐름의 방향성이 생겨서 능동소자로써 동작할 수 있지만, 반도체 물질과의 접목은 결국 신호의 흐름 속도가 반도체의 동작 속도에서 제한되므로 그래핀의 우수한 전기 전도도 특성은 잃어버리는 결과가 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 기하학적 다이오드(geometric diode)라는 개념이 도입되었다. 기하학적 다이오드는 처음에 고속전자 이동도 트랜지스터(high-electron mobility transistor)에서 보고되었는데, 한 가지 도핑 형태를 가지는 반도체를 이용하여 p-n 접합없이 다이오드를 구현하는 것이다. 그래핀, 산화아연(ZnO), 및 박막 인듐-주석 산화물(ITO) 등 많은 물질에서도 동작함이 보고되었다.
도 1은 종래의 기하학적 다이오드의 구조이고, 도 2는 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드의 동작 원리를 보여주는 도면들이고, 도 3은 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드의 전류-전압 특성의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기하학적 다이오드는, 절연 기판(insulation substrate, 10) 상에 형성된 반도체층(semiconductor layer, 20), 반도체층(20)의 양 끝단 상에 형성된 두 개의 전극(30, 40)으로 구성된다. 여기서, 두 전극(30, 40)과 반도체층(20)은 저항성 접촉(ohmic contact)된다. 그리고, 반도체층(20)은 ‘ㄴ'자 형태의 두 개의 홈(21, 23)을 갖는다.
도 2를 참조하여 동작 원리를 설명한다. 도 2의 (a) 내지 (d)는 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드를 위에서 바라본 도면이다.
도 2의 (a)을 참조하면, 반도체층(20a)은 n형 반도체층인 것으로 가정하며, 반도체층(20a)은 두 개의 ‘ㄴ' 자 형상의 홈(21a, 23a)을 갖는다.
도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 두 전극(30, 40)에 0V가 인가되면, 반도체층(20a)에서 홈(21a, 23a)을 정의하는 가장자리 영역에는 표면 전하 등에 공핍 영역(depletion region, 25a)이 형성된다. 공핍 영역(25a)으로 인해, 도 1에 도시된 두 전극(30, 40) 사이의 통로 영역이 도 2의 (a)에 도시된 것보다는 다소 좁아지게 된다.
도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 제2 전극(40)에 양(+)극을, 제1 전극(30)에 음(-)극을 연결하면, 공핍 영역(25a')이 도 2의 (b)와 달리 변화한다. 구체적으로, 제2 전극(40)의 양(+) 전압 때문에 두 전극(30, 40) 사이의 통로 영역의 공핍 영역(25a')이 줄어들어 두 전극(30, 40) 사이의 통로 영역이 넓어지는 효과가 일어난다.
*도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 도 1에 도시된 제1 전극(30)에 양(+)극을, 제2 전극(40)에 음(-)극을 연결하면, 공핍 영역(25a”)이 도 2의 (b)와 달리 변화한다. 구체적으로, 제2 전극(40)의 음(-) 전압 때문에 두 전극(30, 40) 사이의 통로 영역의 공핍 영역(25a”)이 더 확대되어 두 전극(30, 40) 사이의 통로 영역이 좁아지는 효과가 일어난다.
도 2의 (d)에 비해, 도 2의 (c)에서의 전류양이 더 많이 흐를 것이므로, If는 Ir보다 크다. 따라서, 도 2의 (c)의 전류 방향은 순방향(forward), 도 2의 (d)의 전류 방향은 역방향(reverse)이 된다. 도 3에 개략적인 전류-전압 관계 그래프를 도식하였다.
그런데, 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드가 도 2의 동작 방식으로 동작하기 위해서는, 두 전극(30, 40) 사이의 통로 영역의 크기로 공핍 영역의 변화폭이 형성되어야 한다. 즉, 두 전극(30, 40) 사이의 통로 영역은 매우 좁게 제작되어야 함을 의미한다. 고속 다이오드 소자는 안테나 등과 연결하여 신호를 전달받아야 하는데, 이러한 종래의 기하학적 다이오드의 구조는 저항이 매우 커서 전력 변환 효율이 매우 낮기 때문에, 고속 전자소자 및 정류 안테나 등에 쓰이기에는 임피던스 매칭(impedance matching) 문제가 심하여 사용하기 어렵다. 따라서, 이러한 종래의 기하학적 다이오드 구조를 취하면서 직렬 저항을 줄일 수 있는 다이오드가 필요하다.
또한, 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드는, 평면형 다이오드인데, 이러한 평면형 다이오드를 제작하기 위해서는 이빔(e-beam) 리소그래피 공정과 같은 방식으로 제작된다. 이빔 리소그래피 공정과 같은 방식은 공정 수율, 생산량(throughput)이 낮고 균일도(uniformity)도 나쁘다.
본 발명의 목적은 새로운 구조를 갖는 2차원 물질 기반의 능동소자를 제공한다.
또한, 직렬 저항을 줄일 수 있는 2차원 물질 기반의 능동소자를 제공한다.
또한, 공정 수율을 향상시킬 수 있는 2차원 물질 기반의 능동소자를 제공한다.
또한, 다이오드로 이용될 수 있는 2차원 물질 기반의 능동소자를 제공한다.
또한, 센서로 이용될 수 있는 2차원 물질 기반의 능동소자를 제공한다.
또한, 트랜지스터로 이용될 수 있는 2차원 물질 기반의 능동소자를 제공한다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 2차원 물질층; 상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 제1 전극; 상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 절연체; 및 상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 제1 전극부 및 상기 제1 전극부와 전기적으로 연결되고 상기 절연체의 상면에 배치된 제2 전극부를 포함하는 제2 전극;를 포함한다. 이러한 제1 실시 형태에 따른 능동소자는, 제2 전극의 제2 전극부와 제1 전극 사이에 연결되는 전압에 따라 전류의 양이 달라지는 다이오드로서 이용될 수 있는 이점이 있다. 또한, 이러한 제1 실시 형태에 따른 능동소자는, 수직형 구조로서 낮은 직렬 저항을 가지며, 2차원 물질층에 별도의 패터닝이 필요없는 제작이 용이한 이점이 있다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 제1 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자에 추가적으로 상기 2차원 물질층 아래에 배치된 기판;을 더 포함할 수 있다. 이러한 제2 실시 형태에 따른 능동소자는, 2차원 물질층, 제1 전극, 제2 전극 및 절연체도 안정적으로 형성할 수 있는 기판을 제공하는 이점이 있다.
*본 발명의 제3 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 제2 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자에 추가적으로 상기 2차원 물질층과 상기 기판 사이에 배치된 하부 전극; 및 상기 2차원 물질층과 상기 하부 전극 사이에 배치된 하부 절연체;를 더 포함할 수 있다. 이러한 제3 실시 형태에 따른 능동소자는, 하부 전극으로 인가되는 전압에 따라 2차원 물질층의 도핑 농도를 조절할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 제3 실시 형태에 따른 능동소자는, 동작전압을 가변시킬 수 있는 다이오드로 이용될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제4 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 상면과 상기 상면에서 위로 돌출된 돌출부를 포함하는 기판; 상기 기판의 상면에 배치되고, 상기 기판의 돌출부의 일 측에 배치된 제1 전극; 상기 기판의 상면에 배치되고, 상기 기판의 돌출부의 타 측에 배치된 제2 전극; 상기 제2 전극의 상면에 배치된 절연체; 및 상기 절연체를 덮고, 상기 제1 전극의 상면과 상기 제2 전극의 상면에 배치된 2차원 물질층;을 포함한다. 이러한 제4 실시 형태에 따른 능동소자는, 앞서 다른 실시 형태들과 달리 절연체 위에 표면 상태가 민감한 2차원 물질층이 형성되기 때문에, 제작이 용이하고, 공정 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 제4 실시 형태에 따른 능동소자는 2차원 물질층이 외부에 노출되기 때문에 센서로서 이용될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제5 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 제4 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자에 추가적으로 상기 2차원 물질층을 덮는 상부 절연체;를 더 포함할 수 있다. 이러한 제5 실시 형태에 따른 능동소자는, 낮은 직렬 저항을 갖는 다이오드로서 이용될 수 있고, 상부 절연체에 의해 2차원 물질층을 외부로부터 보호할 수 있는 이점이 있고, 2차원 물질층을 형성하기 위한 지지층을 제거하지 않고 상부 절연체로 이용하면 되기 때문에 제작 공정을 단순화할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제6 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 제5 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자에 추가적으로 상기 상부 절연체의 상면에 배치되고, 상기 제1 전극 위에 배치된 제3 전극; 및 상기 상부 절연체의 상면에 배치되고, 상기 제2 전극 위에 배치된 제4 전극;을 더 포함할 수 있다. 이러한 제6 실시 형태에 따른 능동소자는, 제1 전극과 제2 전극에 접촉되어 있는 2차원 물질층의 일부 영역의 도핑 농도를 조절할 수 있다. 따라서, 제6 실시 형태에 따른 능동소자는 낮은 직렬 저항을 갖고, 이상적인 다이오드에 가까운 동작을 할 수 있는 다이오드로서 이용될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제7 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 제6 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자에 추가적으로 상기 상부 절연체는 상기 2차원 물질층의 일 부분을 외부에 노출시키는 개구를 갖고, 상기 개구는 상기 절연체 위에 형성될 수 있다. 이러한 제7 실시 형태에 따른 능동소자는, 2차원 물질층의 일 부분이 외부에 노출되기 때문에 센서로서 이용될 수 있고, 제3 전극과 제4 전극에 의해 2차원 물질층의 도핑 농도를 조절할 수 있어 고감도의 센서로 이용될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제8 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 제5 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자에 추가적으로 상기 상부 절연체의 상면에 배치된 상부 전극;을 더 포함하고, 상기 상부 전극은 상기 절연체 위에 배치될 수 있다. 이러한 제8 실시 형태에 따른 능동소자는 상부 전극으로 인가되는 전압에 따라 2차원 물질층의 도핑 농도를 조절할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 제8 실시 형태에 따른 능동소자는, 동작전압을 가변시킬 수 있는 다이오드로 이용될 수 있는 이점이 있다. 또한, 제8 실시 형태에 따른 능동소자는, 상부 전극이 상부 절연체 상에 형성되기 때문에, 제5 실시 형태에 따른 능동소자보다 더 쉽게 능동소자를 제작할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제9 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 제5 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자에 추가적으로 상기 상부 절연체는 상기 2차원 물질층의 일 부분을 외부에 노출시키는 개구를 갖고, 상기 개구는 상기 절연체 위에 형성된다. 그리고 상기 개구에 배치된 전해질층; 및 상기 전해질층 내부에 일 부분이 삽입되고 나머지 부분은 외부에 노출된 상부 전극;을 더 포함할 수 있다. 이러한 제9 실시 형태에 따른 능동소자는, 상부 전극으로 인가되는 전압에 따라 2차원 물질층의 도핑 농도를 조절할 수 있는 이점이 있다. 따라서, 제9 실시 형태에 따른 능동소자는, 동작전압을 가변시킬 수 있는 다이오드로 이용될 수 있는 이점이 있다. 또한, 제9 실시 형태에 따른 능동소자는, 전해질층을 매개로 상부 전극로 인가된 제어 전압이 2차원 물질층으로 인가되기 때문에, 제8 실시 형태에 따른 능동소자보다 더 쉽게 제어 전압을 인가할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 제10 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자는, 제5 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자에서 상기 제2 전극은, 상기 기판의 상면에 배치된 제1 전극부; 및 상기 제1 전극부와 전기적으로 연결되고, 상기 상부 절연체의 상면에 배치되고, 상기 절연체 위에 배치된 제2 전극부;를 포함할 수 있다. 이러한 제10 실시 형태에 따른 능동소자는, 제2 전극의 제2 전극부와 제1 전극 사이에 연결되는 전압에 따라 전류의 양이 달라지는 다이오드로서 이용될 수 있고, 2차원 물질층에 공핍 영역을 형성하기 용이하기 때문에 동작 전압을 줄일 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 여러 실시 형태들에 있어서, 상기 2차원 물질층은, 그래핀(graphene), 그래파인(graphyne), 보로핀(borophene), 저마닌(germanene), 실리신(silicene), 스테닌(stanene), 포스포린(phosphorene), 전이금속-칼코겐 화합물(transition metal di-chalcogenides, TMDCs), 단일층 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 새로운 구조의 2차원 기반의 능동소자를 사용하면, 직렬 저항을 줄일 수 있는 이점이 있다. 따라서, 정류 안테나 및 비선형 광학 소자 등에도 응용가능 하다.
또한, 공정 수율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 따라서, 일반적인 마이크로미터 사이즈의 광학 리소그래피 장비로 제작 가능한 이점이 있다.
또한, 다이오드로 이용될 수 있는 이점이 있다.
또한, 센서로 이용될 수 있는 이점이 있다. 따라서, 태양전지, 바이오 센서, 화학 센서 등에도 활용 가능하다.
또한, 트랜지스터로 이용될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 기하학적 다이오드의 구조이다.
도 2는 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드의 동작 원리를 보여주는 도면들이다.
도 3은 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드의 전류-전압 특성의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 능동소자의 동작 원리와 효과를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6은 제2 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 7은 제3 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 8은 제4 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 9는 제5 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 능동소자의 전기적 특성을 보여주는 여러 그래프들이다.
도 11은 제6 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 12는 제7 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 13은 제8 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 14는 제9 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 15는 제10 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 도면들 중 인용부호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 인용부호들로 표시됨을 유의해야 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 실시 형태의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
<제1 실시 형태>
도 4는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 2차원 물질 기반의 능동소자의 사시도이다.
도 4에 도시된 2차원 물질 기반의 능동소자는, 2차원 물질층(200), 제1 전극(electrode 1, 300), 제2 전극(electrode 2, 400) 및 절연체(insulator, 500)을 포함한다.
2차원 물질층(200)은 2차원 물질로 구성되는데, 그래핀(graphene), 그래파인(graphyne), 보로핀(borophene), 저마닌(germanene), 실리신(silicene), 스테닌(stanene), 포스포린(phosphorene), 전이금속-칼코겐 화합물(transition metal di-chalcogenides, TMDCs), 단일층 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나일 수 있다.
설명의 편의 상, 도 4에 도시된 제1 실시 형태에 따른 능동소자를 비롯한 이하의 여러 실시 형태에 따른 능동소자에 있어서, 2차원 물질층(200)은 그래핀으로 구성된 그래핀층인 것으로 가정한다.
그래핀층(200)은 판 형상을 가지며, 상면, 하면 및 복수의 측면들을 포함한다.
제1 전극(300)은 그래핀층(200)의 상면에 배치된다. 제1 전극(300)은 그래핀층(200)의 상면의 일 측에 배치된다.
제2 전극(400)은 그래핀층(200)의 상면과 절연체(500)의 상면에 배치된다. 좀 더 구체적으로, 제2 전극(400)은 그래핀층(200)의 상면에 배치된 제1 전극부(410)와 절연체(500)의 상면에 배치된 제2 전극부(430)을 포함한다. 제2 전극부(430)는 제1 전극부(410)와 전기적으로 연결된 것일 수 있다. 여기서, 제1 전극부(410)와 제2 전극부(430)가 전기적으로 연결된다는 의미는 제1 전극부(410)와 제2 전극부(430)는 일체로 형성된 것을 의미할 수도 있고, 양자가 별도로 제작되어 서로 연결될 수도 있다.
제2 전극부(430)의 일 단은 제1 전극(300)과 소정 간격 떨어져 배치되고, 타 단은 제1 전극부(410)의 상면과 전기적으로 연결된다. 제2 전극부(430)의 타 단은 제1 전극부(410)의 상면과 일체일 수도 있고, 제1 전극부(410)의 상면에 연결된 것일 수도 있다.
절연체(500)는 그래핀층(200)의 상면에 배치되고, 제1 전극(300)과 제2 전극(400)의 제1 전극부(410) 사이에 배치된다.
절연체(500)는 제1 전극(300)과 소정 간격 떨어져 배치된다. 여기서, 절연체(500)는, 도면에 도시된 바와 같이 제2 전극(400)과 접촉할 수도 있지만, 이와 달리 절연체(500)는 제2 전극(400)과 접촉하지 않고 소정 간격 떨어져 배치될 수 있다.
절연체(500)는 상면, 하면 및 복수의 측면을 포함한다. 절연체(500)의 상면에는 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)가 배치된다.
절연체(500)의 복수의 측면 중 일 측면은 제2 전극(400)의 제1 전극부(410)와 접촉할 수 있다.
절연체(500)는 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)와 그래핀층(200) 사이에 배치된다. 이러한 절연체(500)에 의해서, 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)는 그래핀층(200)으로부터 물리적으로 떨어져 배치되고 전기적으로 절연된다.
도 5를 참조하여 도 4에 도시된 제1 실시 형태에 따른 능동소자의 동작 원리와 효과를 설명한다.
도 5는 도 4에 도시된 능동소자의 동작 원리와 효과를 설명하기 위한 도면들이다. 구체적으로, 도 5의 (a)는 도 4에 도시된 능동소자의 단면도이고, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에 도시된 능동소자의 기능을 설명하기 위한 도면이고, 도 5의 (c)와 5의 (d)는 작동 원리를 설명하기 위한 도면들이고, 도 5의 (e)는 등가회로이다.
도 5의 (a)와 (b)를 함께 참조하면, 도 5의 (a)에 도시된 제1 전극(300)과 제1 전극(300) 아래에 배치된 그래핀층(200)의 일 단 부분은, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 소스(source)로 기능하고, 도 5의 (a)에 도시된 제2 전극(400)의 제1 전극부(410)와 제2 전극(400)의 제1 전극부(410) 아래에 배치된 그래핀층(200)의 타 단 부분은, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 드레인(drain)으로 기능하고, 그래핀층(200)의 일 단 부분과 타 단 부분 사이의 중간 부분은 채널(channel) 및 바디(body)로 기능하고, 도 5의 (a)에 도시된 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 게이트(gate)로 기능할 수 있다.
도 4에 도시된 능동소자는 일반적인 트랜지스터에서 게이트와 드레인을 연결 또는 게이트와 소스를 연결한 구조와 동일하다. 다만, 도 4에 도시된 능동소자가 일반적인 트랜지스터와 다른 점은 일반적인 트랜지스터에서는 소스와 채널 및 바디의 접촉 부분과, 드레인과 채널 및 바디의 접촉 부분에서 p-n 접합과 공핍층이 형성되지만, 도 4에 도시된 능동소자와 같은 기하학적 다이오드 구조에서는 저항성 접촉만 형성된다. 한편, 도 4에 도시된 그래핀층(200)이 그래핀이 아닌 다른 2차원 물질로 구성된 경우, 예를 들어, 반도체 특성을 갖는 2차원 물질로 구성된 경우, 쇼트키 접합이 형성될 수 있다.
도 5의 (c)와 도 5의 (d)를 참조하여 도 4에 도시된 능동소자의 작동 원리를 설명한다. 여기서, 그래핀층(200)은 p형으로 도핑된 그래핀으로 구성된 것으로 가정한다.
도 5의 (c)를 참조하면, 제1 전극(300)에 음(-)극을 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)에 양(+)극을 인가하면, 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)에 인가된 양극 전압 때문에, 그래핀층(200)에서 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)와 절연체(500) 아래에 배치된 일 부분(200a)은 공핍(depletion)되어 상대적으로 작은 전류(Ir)가 흐른다.
반면에, 도 5의 (d)를 참조하면, 제1 전극(300)에 양(+)극을 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)에 음(-)극을 인가하면, 제2 전극(400)의 제2 전극부(430)에 인가된 음극 전압 때문에, 그래핀층(200)의 일 부분(200a)은 정공이 도핑되므로 상대적으로 큰 전류(If)가 흐른다.
도 5의 (c)와 도 5의 (d)를 종합해 보면, 도 5의 (e)에 도시된 바와 같이 도 4에 도시된 능동소자를 다이오드와 같은 등가회로 나타낼 수 있다.
도 4에 도시된 능동소자는, 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드의 구조와 다른 구조를 갖는다. 도 4에 도시된 능동소자는 그래핀층(200) 상에 3차원 구조의 제2 전극(400)을 구비한 수직형 구조이지만, 도 1에 도시된 종래의 기하학적 다이오드는 두 개의 홈(21, 23)이 형성된 반도체층(20)이 기판(10)의 상면과 같은 평면 상에 형성되고, 두 개의 전극(30, 40)이 반도체층(20)의 상면에 서로 떨어져 배치된 수평형 구조이다.
도 4에 도시된 능동소자는 수평형 구조로 제작된 그래핀층이 병렬적으로 무수히 연결된 것과 같은 효과를 갖고, 그래핀층(200)에서 두 전극(300, 400) 사이의 통로 영역이 넓기 때문에 직렬 저항도 작고, 그래핀층(200)을 10 nm 수준으로 패터닝할 필요가 없으므로 제작이 매우 용이한 이점이 있다.
도 4에 도시된 능동소자는, 그래핀층(200) 상에 절연체(500) 형성한 후, 형성된 절연체(500)를 패터닝하고, 제1 전극(300)과 제2 전극(400)을 형성함으로써 제작될 수 있다.
<제2 실시 형태>
도 6은 제2 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 6에 도시된 능동소자는 도 4에 도시된 능동소자와 대비하여 기판(100)을 더 포함한다. 따라서, 도 6에 도시된 능동소자를 설명함에 있어서, 그래핀층(200), 제1 전극(300), 제2 전극(400) 및 절연체(500)의 설명은 생략한다.
기판(100)은 그래핀층(200) 아래에 배치된다. 즉, 기판(100)의 상면에 그래핀층(200)이 배치된다.
도 6에 도시된 능동소자는, 기판(100)이 그래핀층(200), 제1 전극(300), 제2 전극(400) 및 절연체(500)를 지지하기 때문에, 도 6에 도시된 능동소자의 제작 시 그래핀층(200)을 안정적으로 형성할 수 있고, 그래핀층(200) 상에 제1 전극(300), 제2 전극(400) 및 절연체(500)를 형성할 때도 더 안정적으로 제작할 수 있는 이점이 있다.
<제3 실시 형태>
도 7은 제3 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 7에 도시된 능동소자는 도 4에 도시된 능동소자와 대비하여 기판(100), 하부 전극(600) 및 하부 절연체(700)를 더 포함한다. 따라서, 도 7에 도시된 능동소자를 설명함에 있어서, 그래핀층(200), 제1 전극(300), 제2 전극(400) 및 절연체(500)의 설명은 생략한다.
하부 절연체(700)는 그래핀층(200) 아래에 배치되고, 하부 전극(600)은 하부 절연체(700) 아래에 배치되고, 기판(100)은 하부 전극(600) 아래에 배치된다.
다시 말해, 그래핀층(200) 아래에 기판(100)이 배치되고, 그래핀층(200)과 기판(100) 사이에 하부 전극(600)이 배치되고, 그래핀층(200)과 하부 전극(600) 사이에 하부 절연체(700)가 배치된다.
이러한 도 7에 도시된 능동소자는, 하부 전극(600)이 게이트(gate)로서 기능할 수 있는데, 하부 전극(600)으로 인가되는 게이트 전압(Vgate)에 따라 그래핀층(200)에 도핑되는 그래핀의 도핑 농도를 조절할 수 있다. 그래핀층(200)에 도핑되는 그래핀의 도핑 농도가 높을수록 그래핀층(200)에서 공핍 영역을 형성하기 위한 높은 전압이 요구된다. 따라서, 도 7에 도시된 능동소자의 구조는 동작전압을 가변시킬 수 있는 다이오드로서 이용될 수 있는 이점이 있다.
<제4 실시 형태>
도 8은 제4 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 8에 도시된 능동소자는, 기판(100'), 그래핀층(200'), 제1 전극(300'), 제2 전극(400') 및 절연체(500')를 포함한다. 도 8에 도시된 능동소자는 도 4에 도시된 능동소자와 전기적으로는 동일하여 작동 원리는 동일하지만, 양자의 구조가 서로 다르다. 이하 구체적으로 살펴본다.
기판(100')은 제1 전극(300')과 제2 전극(400') 사이에 배치되어 제1 전극(300')과 제2 전극(400')을 전기적으로 분리시키기 위한 돌출부(110')를 포함한다. 돌출부(110')는 기판(100')의 상면의 일 부분에서 위로 연장된 것일 수 있다.
제1 전극(300')은 기판(100')의 상면에 배치된다. 제1 전극(300')은 기판(100')의 상면의 일 측에 배치된다.
제2 전극(400')은 기판(100')의 상면에 배치된다. 제2 전극(400')은 기판(100')의 상면의 타 측에 배치된다. 제2 전극(400')의 길이(D2)는 제1 전극(300')의 길이(D1)보다 더 길다.
제1 전극(300')과 제2 전극(400')은 기판(100')의 돌출부(110')에 의해서 서로 떨어져 배치된다. 따라서, 제1 전극(300')과 제2 전극(400')은 물리적 및 전기적으로 분리된다.
제1 전극(300')의 상면, 제2 전극(400')의 상면 및 기판(100')의 돌출부(110')의 상면은, 동일 평면 상에 배치될 수 있다.
절연체(500')는 기판(100')의 돌출부(110')와 제2 전극(400') 상에 배치된다.
그래핀층(200')은 제1 전극(300'), 기판(100')의 돌출부(110'), 절연체(500') 및 제2 전극(400') 상에 배치된다.
그래핀층(200')은 절연체(500')을 덮도록 형성되고, 제1 전극(300')의 상면과 제2 전극(400')의 상면과 접촉한다. 그래핀층(200')은 절연체(500')를 덮기 때문에, 3차원 구조를 갖는다.
그래핀층(200')은 2차원 물질층으로서 그래핀 이외에도 그래파인(graphyne), 보로핀(borophene), 저마닌(germanene), 실리신(silicene), 스테닌(stanene), 포스포린(phosphorene), 전이금속-칼코겐 화합물(transition metal di-chalcogenides, TMDCs), 단일층 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나일 수도 있다.
도 8에 도시된 능동소자는 앞서 설명한 바와 같이 전기적인으로 도 5에 도시된 능동소자와 동일하지만, 도 5에 도시된 능동소자보다 제작이 더 쉽고 용이하며, 공정 수율도 더 개선시킬 수 있다. 그 이유는 도 5와 같이 그래핀층(200)의 표면에 절연 특성이 우수한 절연체(500)를 형성하는 것은 그래핀층(200)의 표면 상태에 매우 민감하기 때문이다.
또한, 도 8에 도시된 능동소자는, 도 5에 도시된 능동소자와 달리, 대부분의 그래핀층(200')이 외부에 노출된다. 외부에 노출된 그래핀층(200')에 화합물 또는 바이오 물질이 접촉되면, 그래핀층(200')의 전기적 특성이 변할 수 있다. 따라서, 도 8에 도시된 능동소자의 구조는 센서로서 이용될 수 있는 이점이 있다.
<제5 실시 형태>
도 9는 제5 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 9에 도시된 능동소자는 도 8에 도시된 능동소자와 대비하여 상부 절연체(700')를 더 포함한다. 따라서, 도 9에 도시된 능동소자를 설명함에 있어서, 기판(100'), 그래핀층(200'), 제1 전극(300'), 제2 전극(400') 및 절연체(500')의 설명은 생략한다.
상부 절연체(top insulator, 700')는 그래핀층(200') 상에 배치된다. 상부 절연체(700')는 그래핀층(200')의 상면에 배치된다.
상부 절연체(700')는 그래핀층(200')의 구조와 유사한 3차원 구조를 갖는다.
도 9에 도시된 능동소자는 다이오드로서 이용가능한데, 상부 절연체(700')는 그래핀층(200')을 외부 환경으로부터의 오염을 막는 보호막 역할을 할 수 있다. 따라서, 도 9에 도시된 능동소자는 일정한 전기적 특성을 가질 수 있다.
또한, 그래핀층(200')을 전사과정에서 이용되는 지지층(supporter)으로서의 역할을 하는 고분자 물질을 상부 절연체(700')로 이용한다면, 상기 고분자 물질을 제거할 필요가 없기 때문에, 도 9에 도시된 능동소자의 제작 공정을 단순화할 수 있는 이점이 있다.
도 10은 도 9에 도시된 능동소자의 전기적 특성을 보여주는 여러 그래프들이다. 도 10에 도시된 그래프들은 도 9에 도시된 능동소자가 다이오드로서 기능한다는 것을 설명하기 위한 것이다.
도 10에 도시된 그래프들은, 도 9의 기판(100')이 산화막이 형성된 실리콘 웨이퍼이고, 제1 전극(300')과 제2 전극(400')이 크롬(Cr) 또는 금(Au)이고, 절연체(500')와 상부 절연체(700')가 폴리(비닐리딘 플로라이드-트리플로로에틸렌)이고, 그래핀층(200')이 p형 그래핀으로 구성된 것을 이용하여 실험을 통해 도출된 것이다.
도 10의 (a)는 전류-전압 그래프이고, 도 10의 (b)는 비대칭도-전압 그래프이고, 도 10의 (c)는 저항-전압 그래프이다.
도 10의 (a)를 참조하면, +3(V) 이상의 전압 구간에서 전류 증가량이 미세하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 10의 (a)를 기초로하여 비대칭도(asymmetry, |I(+V)/I(-V)|)를 계산하면 도 10의 (b)와 같다. 도 10의 (b)를 참조하면, +2(V) 이상에서 비대칭도가 1보다 감소되는데, 이는 도 10의 (a)에서 +2(V) 이상의 영역에서 좌우 전류 값이 동일하지 않음을 의미한다.
도 10의 (a)의 기울기로부터 저항을 계산하면 도 10의 (c)와 같다. 도 10의 (c)를 참조하면, 비대칭도의 결과와 유사하게 +2(V) 이상에서 저항값이 증가한다. 이는, 전압의 극성에 따라 전류의 흐름이 다르므로, 도 9에 도시된 능동소자의 구조는 다이오드로써 동작함을 알 수 있다.
<제6 실시 형태>
도 11은 제6 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 11에 도시된 능동소자는 도 9에 도시된 능동소자와 대비하여 제3 전극(800')과 제4 전극(900')을 더 포함한다. 따라서, 도 11에 도시된 능동소자를 설명함에 있어서, 기판(100'), 그래핀층(200'), 제1 전극(300'), 제2 전극(400'), 절연체(500') 및 상부 절연체(700')의 설명은 생략한다.
제3 전극(800')은 상부 절연체(700')의 상면에 배치되고, 제1 전극(300') 위에 배치된다. 제3 전극(800')과 제1 전극(300') 사이에는 상부 절연체(700')이 배치되기 때문에, 제3 전극(800')과 제1 전극(300')은 서로 전기적으로 분리된다.
제4 전극(900')은 상부 절연체(700')의 상면에 배치되고, 제2 전극(400') 위에 배치된다. 제4 전극(900')과 제2 전극(400') 사이에는 상부 절연체(700')이 배치되기 때문에, 제4 전극(900')과 제2 전극(400')은 서로 전기적으로 분리된다.
제3 전극(800')과 제4 전극(900')은 상부 절연체(700')에 의해서 물리적 및 전기적으로 절연된다.
상부 절연체(700')는 그래핀층(200')을 외부 환경으로부터의 오염을 막는 보호막 역할을 하므로, 도 11에 도시된 능동소자는 일정한 전기적 특성을 가질 수 있다.
또한 도 11에 도시된 능동소자는 제3 전극(800')과 제4 전극(900')을 포함하는데, 제3 전극(800')과 제4 전극(900')에 소정의 전압을 인가함으로써 제1 전극(300')과 제2 전극(400')에 접촉되어 있는 그래핀층(200')의 일부 영역의 도핑 농도를 조절할 수 있다. 그래핀층(200')의 일부 영역에서의 낮은 접촉 저항은 다이오드로서 기능하는 도 11에 도시된 능동소자의 직렬 저항을 감소시키는 역할을 한다. 직렬 저항이 감소되면 도 11에 도시된 능동소자의 비대칭도가 증가되어 이상적인 다이오드에 가까운 동작이 가능한 이점이 있다.
<제7 실시 형태>
도 12는 제7 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 12에 도시된 능동소자는 도 11에 도시된 능동소자와 대비하여 상부 절연체(700'')의 구조에서 차이가 있다. 따라서, 도 12에 도시된 능동소자를 설명함에 있어서, 기판(100'), 그래핀층(200'), 제1 전극(300'), 제2 전극(400'), 절연체(500'), 제3 전극(800') 및 제4 전극(900')의 설명은 생략한다.
도 12에 도시된 능동소자의 상부 절연체(700'')는 그래핀층(200')의 일 부분을 외부에 노출시키기 위한 개구(710'')를 갖는다. 상부 절연체(700'')에서 개구(710'')는 제3 전극(800')과 제4 전극(900') 사이에 형성된다. 또는 상부 절연체(700'')에서 개구(710')는 절연체(500') 위에 형성된다.
개구(710'')를 통해 노출된 그래핀층(200')의 일 부분으로는 외부에 존재하는 소정의 감지 물질이 접촉될 수 있다. 따라서, 도 12에 도시된 능동소자는 소정의 감지 물질을 센싱하는 센서로 이용될 수 있다.
또한, 도 12에 도시된 능동소자는 제3 전극(800')과 제4 전극(900')을 포함하기 때문에, 제1 전극(300')과 제2 전극(400')에 접촉되어 있는 그래핀층(200')의 일부 영역의 도핑 농도를 조절할 수 있어 직렬 저항을 감소시킬 수 있다. 직렬 저항이 감소되면 도 12에 도시된 능동소자는 비대칭도가 더 증가되기 때문에, 더 향상된 감도를 갖는 센서로 이용될 수 있다.
<제8 실시 형태>
도 13은 제8 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 13에 도시된 능동소자는 도 9에 도시된 능동소자와 대비하여 상부 전극(600')을 더 포함한다.
상부 전극(600')은 상부 절연체(700') 상에 배치된다. 상부 전극(600')은 상부 절연체(700')의 상면의 일 부분에 배치되는데, 구체적으로는 절연체(500') 위에 배치된다.
이러한 도 13에 도시된 능동소자는, 상부 전극(600')이 게이트(gate)로서 기능할 수 있는데, 상부 전극(600')으로 인가되는 게이트 전압(Vgate)에 따라 그래핀층(200')에 도핑되는 그래핀의 도핑 농도를 조절할 수 있다. 그래핀층(200')에 도핑되는 그래핀의 도핑 농도가 높을수록 그래핀층(200')에서 공핍 영역을 형성하기 위한 높은 전압이 요구된다. 따라서, 도 13에 도시된 능동소자의 구조는 동작전압을 가변시킬 수 있는 다이오드로서 이용될 수 있는 이점이 있다.
또한, 도 13에 도시된 능동소자는, 도 7에 도시된 능동소자의 하부 전극(600)을 형성하는 방법보다 더 쉽게 상부 전극(600')을 형성할 수 있어 제작의 용이성을 갖는다.
<제9 실시 형태>
도 14는 제9 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 14에 도시된 능동소자는 도 9에 도시된 능동소자와 대비하여 전해질층(1000')과 상부 전극(600'')을 더 포함하고, 상부 절연체(700'')에 있어서 구조상의 차이점을 갖는다.
상부 절연체(700'')는 그래핀층(200')의 일 부분을 노출시키는 개구(710'')을 갖는다.
전해질층(1000')은 상부 절연체(700'')의 개구(710'')에 의해 노출된 그래핀층(200')의 일 부분 상에 배치된다.
전해질층(1000')은 상부 절연체(700'')의 개구(710'')를 정의하는 주변부 상에 더 배치될 수 있다.
전해질층(1000')은 내부에 소정의 이온을 갖는 겔(gel) 형태일 수 있다.
상부 전극(600'')은 일 부분이 전해질층(1000') 내부에 배치되고, 나머지 부분은 전해질층(1000') 상에 배치된다. 상부 전극(600'')은 게이트 전극으로서의 기능을 수행할 수 있어, 상부 전극(600'')으로 인가되는 게이트 전압(Vgate)에 따라 그래핀층(200')에 도핑되는 그래핀의 도핑 농도를 조절할 수 있다. 그래핀층(200')에 도핑되는 그래핀의 도핑 농도가 높을수록 그래핀층(200')에서 공핍 영역을 형성하기 위한 높은 전압이 요구된다. 따라서, 도 14에 도시된 능동소자의 구조는 동작전압을 가변시킬 수 있는 다이오드로서 이용될 수 있는 이점이 있다.
도 14에 도시된 능동소자는 도 13에 도시된 능동소자에 비하여 상부 전극(600'')을 통해 게이트 전압을 인가하기가 용이하다. 그 이유는 상부 전극(600'')과 그래핀층(200')이 절연체가 아닌 전해질층(1000')을 매개로 연결되기 때문이다.
<제10 실시 형태>
도 15는 제10 실시 형태에 따른 능동소자의 단면도이다.
도 15에 도시된 능동소자는 도 9에 도시된 능동소자의 제2 전극(400')과 다른 구조를 갖는 제2 전극(400'')을 포함한다.
도 15에 도시된 제2 전극(400'')은 기판(100')의 상면에 배치된 제1 전극부(410'') 및 제1 전극부(410'')로부터 연장되어 상부 절연체(700')의 상면에 배치된 제2 전극부(430'')을 포함한다. 여기서, 제2 전극부(430'')는 절연체(500') 위에 배치될 수 있다.
또한, 제2 전극(400'')은 기판(100')과 절연체(500') 사이 및 기판(100')과 그래핀층(200') 사이에 배치된 제1 전극부(410'')와 상부 절연체(700') 상에 배치되고 제1 전극부(410'')와 연결되는 제2 전극부(430'')을 포함한다.
제2 전극(400'')의 제2 전극부(430'')은 게이트 전극으로 기능할 수 있기 때문에, 도 9에 도시된 능동소자보다 그래핀층(200')에 공핍 영역을 형성하기가 더 용이한 이점이 있다. 따라서, 도 15에 도시된 능동소자가 다이오드로 이용될 경우에 동작 전압을 줄일 수 있는 이점이 있다.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 기판
200: 2차원 물질층
300: 제1 전극
400: 제2 전극
500: 절연체

Claims (11)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극의 상면에 배치된 하부 절연체;
    상기 하부 절연체의 상면에 배치된 2차원 물질층;
    상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 제1 전극;
    상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 절연체; 및
    상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 제1 전극부 및 상기 제1 전극부와 전기적 및 물리적으로 연결되고 상기 절연체의 상면에 배치된 제2 전극부를 포함하는 제2 전극;
    을 포함하는, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극으로 인가되는 게이트 전압에 따라 상기 2차원 물질층에 도핑되는 2차원 물질의 도핑 농도가 조절되고,
    조절된 상기 도핑 농도에 따라 동작 전압이 가변되는, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 전극 아래에 배치된 기판;을 더 포함하고,
    상기 하부 전극은 상기 기판의 상면에 배치된, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연체는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 제1 전극부 사이에 배치되고,
    상기 제1 전극은, 상기 절연체와 상기 제2 전극의 제2 전극부로부터 소정 간격 떨어져 배치된, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 제1 전극부는, 상기 절연체의 복수의 측면 중 적어도 하나 이상의 측면과 접촉하는, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  6. 2차원 물질층;
    상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 제1 전극;
    상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 절연체; 및
    상기 2차원 물질층의 상면에 배치된 제1 전극부 및 상기 제1 전극부와 전기적 및 물리적으로 연결되고 상기 절연체의 상면에 배치된 제2 전극부를 포함하는 제2 전극;
    을 포함하는, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 제2 전극부 중 어느 하나에 양극이 인가되고 다른 하나에 음극이 인가될 때, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 제2 전극부 사이에 제1 전류가 흐르고,
    상기 어느 하나에 음극이 인가되고 상기 다른 하나에 양극이 인가될 때, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 제2 전극부 사이에 제2 전류가 흐르고,
    상기 제1 전류의 크기는 상기 제2 전류의 크기와 다른, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층 아래에 배치된 기판;을 더 포함하고,
    상기 2차원 물질층은 상기 기판의 상면에 배치된, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 절연체는, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 제1 전극부 사이에 배치되고,
    상기 제1 전극은, 상기 절연체와 상기 제2 전극의 제2 전극부로부터 소정 간격 떨어져 배치된, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 제1 전극부는, 상기 절연체의 복수의 측면 중 적어도 하나 이상의 측면과 접촉하는, 2차원 물질 기반의 능동소자.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층은, 그래핀(graphene), 그래파인(graphyne), 보로핀(borophene), 저마닌(germanene), 실리신(silicene), 스테닌(stanene), 포스포린(phosphorene), 전이금속-칼코겐 화합물(transition metal di-chalcogenides, TMDCs), 단일층 팔라듐(Pd) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나로 구성된, 2차원 물질 기반의 능동소자.
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