KR101996407B1 - A semiconductor stack having the characteristics of interlayer orientation-dependent light absorption and emission - Google Patents

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Abstract

본 발명은 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법을 공개한다. 이 방법은 (a) 화학 기상 증착법을 이용하여 결정방향이 일치하는 전이금속-칼코겐 화합물의 제1 스택이 제조되는 단계; (b) 물리적 전사를 이용하여 회전각 조절에 의해 결정 방향이 불일치하는 전이금속-칼코겐 화합물의 제2 스택이 제조되는 단계; (c) 상기 제1 및 제2 스택 각각의 원자층 간 광의 흡수 및 발광 양상이 측정되는 단계; 및 (d) 상기 측정된 광의 흡수 및 발광 양상을 동역학 분석하여 천이 밴드갭이 판별되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 2차원 반도체 적층 구조의 상대적인 결정 방향을 선택적으로 일치 또는 불일치시키는 조절이 가능하여 새로운 전자 구조를 인공적으로 형성할 수 있고, 종래에 보고되지 않은 새로운 인공 저 차원 반도체 구조를 실현 할 수 있게 된다. 또한, 2차원 원자층 물질 간의 상호작용이 원자층 간 회전각도에 따라 새로이 결정되어 다양한 광 물리 현상 연구가 가능해지고, 이를 통한 물질 특성 제어를 통하여 2차원 물질 발광체, 레이저, 광 검출기 등으로 실제 산업상에 폭넓게 응용이 가능하게 된다.The present invention discloses a method of analyzing a semiconductor stack having interlayer orientation-based light absorption and light emission characteristics. The method comprises the steps of: (a) preparing a first stack of transition metal-chalcogen compounds with a matching crystal orientation using chemical vapor deposition; (b) producing a second stack of transition metal-chalcogen compounds wherein the crystal orientation is discordant by controlling the angle of rotation using physical transfer; (c) measuring an absorption and emission pattern of light between the atomic layers of each of the first and second stacks; And (d) dynamically analyzing the absorption and emission patterns of the measured light to determine a transition band gap. According to the present invention, it is possible to selectively adjust or dislocate the relative crystal orientation of the two-dimensional semiconductor laminated structure, thereby forming a new electronic structure artificially, and a new artificial low dimensional semiconductor structure . In addition, interaction between two-dimensional atomic layer materials is newly determined according to the angle of rotation between atomic layers, and various photophysical phenomenon researches become possible. Through the control of material properties through this, two-dimensional material luminous body, laser, It is possible to apply it to a wide range of applications.

Description

층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택{A semiconductor stack having the characteristics of interlayer orientation-dependent light absorption and emission}[0001] The present invention relates to a semiconductor stack having interlayer orientation-based optical absorption and emission characteristics,

본 발명은 반도체 스택의 분석 방법에 관한 것으로서, 특히 화학 기상 증착법 및 물리적 전사를 이용하여 회전각 조절에 의해 전이금속-칼코겐 화합물의 스택을 제조하고, 스택의 원자층 간 광의 흡수 및 발광 양상을 측정 및 동역학 분석하여 천이 밴드갭을 판별할 수 있는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of analyzing semiconductor stacks, and more particularly, to a method of preparing a stack of transition metal-chalcogenide compounds by controlling the angle of rotation using chemical vapor deposition and physical transfer, The present invention relates to a method of analyzing a semiconductor stack having interlayer orientation-based light absorption and luminescence characteristics capable of discriminating a transition band gap by measurement and kinetic analysis.

현재 실리콘 반도체를 대체할 차세대 2차원 반도체 물질로 과학계의 주목을 받고 있는 전이금속-칼코게나이드 층상 화합물은 단일 원자층 두께로도 존재하는 가장 얇은 고성능 반도체로 알려져 있다. Transition metal-chalcogenide layered compounds, which are currently attracting attention from the scientific community as a next-generation two-dimensional semiconductor material to replace silicon semiconductors, are known as the thinnest high-performance semiconductors that exist even at a single atomic layer thickness.

이 화합물은 매우 우수한 전자소자 특성뿐 아니라 가시광선의 광을 흡수하고 방출할 수 있어 고성능 전자/광/광전 소자에의 폭넓은 응용이 기대되고 있다.This compound can absorb and emit visible light as well as excellent electronic device characteristics and is expected to be widely applied to high performance electronic / optical / photoelectric devices.

특히, 전이금속 중 하나인 몰리브데늄(Molybdenum, Mo) 혹은 텅스텐(Tungsten, W)과 황(Sulfur)의 화합물인 이황화 몰리브데늄(MoS2)과 이황화 텅스텐(WS2)의 경우, 층상 화합물이면서도 반도체의 물성을 가지므로, 기존 그래핀을 대체할 차세대 2차원 반도체 소재로서 많은 관심을 받고 있다.Particularly, in the case of molybdenum (Mo), which is one of the transition metals, or molybdenum disulfide (MoS 2 ) and tungsten disulfide (WS 2 ), which are compounds of tungsten (W) and sulfur, However, since it has the physical properties of semiconductors, it has attracted much attention as a next generation two-dimensional semiconductor material to replace the existing graphene.

즉, 단일 원자층으로 이루어진 이황화 몰리브데늄(MoS2)과 이황화 텅스텐(WS2)의 경우 전자 구조의 변화에 의하여 직접 천이 밴드 갭 특성을 보여 나노미터의 두께를 가짐에도 불구하고 들어오는 광의 10 % 이상을 흡수할 수 있어 고성능 전자 및 광전 소자에의 폭넓은 응용이 가능하다.That is, in the case of molybdenum disulfide (MoS 2 ) and tungsten disulfide (WS 2 ) composed of a single atom layer, a direct transition band gap characteristic is exhibited due to the change of the electronic structure, and even though the thickness of the nanometer is 10% And thus it is possible to widely apply to high performance electronic and photoelectric devices.

2차원 단일 원자층 소재를 적층 및 접합하여 이루어지는 이종 구조의 경우, 계면에서 발생하는 층간 상호작용에 의하여 새로운 전기적, 광학적 특성을 보일 것으로 기대되고 있다. In the case of heterogeneous structures formed by stacking and bonding two - dimensional single atomic layer materials, it is expected that new electrical and optical characteristics will be exhibited due to interlayer interactions occurring at the interface.

이러한 서로 다른 단일층 2차원 반도체를 수직하게 쌓아 형성한 이종 적층 구조에서는 단일층 간 상호작용이 강하게 발생하여, 광을 입사하였을 때 층간 여기자(Interlayer Exciton)가 생성되므로, 종래의 두 재료의 밴드갭과는 다른 에너지 대역 대에서의 광 흡수 및 발광 특성이 관찰될 것으로 이론 물리학자들에 의해 예측되어 왔다. In the hetero-layer structure formed by vertically stacking the different single-layer two-dimensional semiconductors, interlayer interactions are strongly generated, and interlayer excitons are generated when light is incident. Therefore, the band gap The light absorption and the luminescence characteristics in the energy band different from that of the light absorption layer are observed by the theoretical physicists.

하지만, 종래에는 각 단일층 재료를 기계적 박리법으로 분리한 후 물리적 전사를 이용하여 쌓는 방법을 이용하여 적층 구조를 구현하였다.However, in the past, a laminate structure was implemented by separating each single-layer material by a mechanical peeling method and stacking it using physical transfer.

그러나, 이렇게 형성된 적층 구조의 경우에는 각 단일층 간의 상대적인 결정 방향이 불일치하므로, 강한 층간 상호작용을 위해서는 두 원자층 간의 결정 방향이 일치하는 적층 구조를 구현할 수 있는 공정과 이러한 재료계에서 나타나는 광과의 상호작용을 효과적으로 관찰할 수 있는 광 계측 기술의 개발이 필수불가결하다.However, in the case of the laminated structure formed in this way, since the relative crystal orientations of the respective single layers are inconsistent, a process capable of realizing a laminated structure in which the crystal directions of the two atomic layers coincide with each other is required for strong interlayer interaction, It is indispensable to develop an optical measurement technique capable of effectively observing the interaction of the light source.

따라서, 본 발명자는 화학 기상 증착법을 이용해 회전각과 결정방향이 정확하게 일치하는 2차원 수직 적층 구조 반도체 화합물과 물리적 전사를 이용하여 결정 방향이 불일치하는 화합물을 제조하고, 분광학과 동역학 실험을 통하여 원자층 간의 광의 흡수와 발광이 직접 천이 갭에서 간접 천이 갭으로 조절 가능하게 함으로써 새로운 형태의 2차원 발광체로의 응용을 착안하기에 이르렀다.Therefore, the present inventors have succeeded in producing a compound having a crystal orientation inconsistency by using a chemical vapor deposition method and a two-dimensional vertical laminated semiconductor compound whose rotational angle and crystal direction are exactly the same and physical transfer, The absorption and emission of light can be adjusted to an indirect transition gap directly in the transition gap, and the application to a new type of two-dimensional light emitter has been developed.

본 발명의 목적은 단일 원자층 반도체 2차원 초격자 구조에서 나타나는 광학적 특성이 원자층간 결정 회전 방향을 조절하여 원자층간 상호작용에 의한 새로운 파장의 흡광과 발광 특성을 제어할 수 있도록 두 가지의 전이금속-칼코겐 화합물의 상대적인 결정방향이 나란히 일치하는 초격자 구조를 합성하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법을 제공하는 것이다. It is an object of the present invention to provide a two-dimensional superlattice structure of a single-atom-layer semiconductor in which the optical properties of the two-dimensional superlattice structure are controlled by controlling the rotation direction of interatomic crystals to control the absorption and emission characteristics of a new wavelength due to inter- The present invention provides a method of analyzing a semiconductor stack having interlayer orientation-based light absorption and luminescence characteristics, which synthesizes a superlattice structure in which the relative crystal orientations of chalcogen compounds coincide with each other.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem (s), and another problem (s) not mentioned can be clearly understood by a person skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법은 (a) 화학 기상 증착법을 이용하여 결정방향이 일치하는 전이금속-칼코겐 화합물의 제1 스택이 제조되는 단계; (b) 물리적 전사를 이용하여 회전각 조절에 의해 결정 방향이 불일치하는 전이금속-칼코겐 화합물의 제2 스택이 제조되는 단계; (c) 상기 제1 및 제2 스택 각각의 원자층 간 광의 흡수 및 발광 양상이 측정되는 단계; 및 (d) 상기 측정된 광의 흡수 및 발광 양상을 동역학 분석하여 천이 밴드갭이 판별되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
In order to accomplish the above object, the present invention provides a method of analyzing a semiconductor stack having light absorption and emission characteristics based on interlayer alignment, comprising: (a) forming a first stack of transition metal-chalcogen compounds having a crystal orientation matching by chemical vapor deposition A step to be produced; (b) producing a second stack of transition metal-chalcogen compounds wherein the crystal orientation is discordant by controlling the angle of rotation using physical transfer; (c) measuring an absorption and emission pattern of light between the atomic layers of each of the first and second stacks; And (d) dynamically analyzing the absorption and emission patterns of the measured light to determine a transition band gap.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.The details of other embodiments are included in the detailed description and the accompanying drawings.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and / or features of the present invention and the manner of achieving them will be apparent from and elucidated with reference to the embodiments described hereinafter in conjunction with the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. And is provided to fully explain the scope of the present invention to those skilled in the art.

본 발명에 의할 경우, 2차원 반도체 적층 구조의 상대적인 결정 방향을 선택적으로 일치 또는 불일치시키는 조절이 가능하여 새로운 전자 구조를 인공적으로 형성할 수 있고, 종래에 보고되지 않은 새로운 인공 저 차원 반도체 구조를 실현 할 수 있게 된다. According to the present invention, it is possible to selectively adjust or dislocate the relative crystal orientation of the two-dimensional semiconductor laminated structure, thereby forming a new electronic structure artificially, and a new artificial low dimensional semiconductor structure .

또한, 2차원 원자층 물질 간의 상호작용이 원자층 간 회전각도에 따라 새로이 결정되어 다양한 광 물리 현상 연구가 가능해지고, 이를 통한 물질 특성 제어를 통하여 2차원 물질 발광체, 레이저, 광 검출기 등으로 실제 산업상에 폭넓게 응용이 가능하게 된다.In addition, interaction between two-dimensional atomic layer materials is newly determined according to the angle of rotation between atomic layers, and various photophysical phenomenon researches become possible. Through the control of material properties through this, two-dimensional material luminous body, laser, It is possible to apply it to a wide range of applications.

도 1은 본 발명에 따른 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 분석 방법을 구현하기 위한 제1 및 제2 스택의 제조 방법(S100, S300)을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시된 제조 방법에 따라 제1 및 제2 스택이 이종 수직 적층 구조로 형성되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 반도체 스택이 단일층 육각 반도체의 회전에 따라 광이 흡수 및 배출되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 제조된 본 발명의 반도체 스택 인 MoS2 / WS2 스택의 회전 결정 구조 및 광의 흡수 및 방출 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 초고속 시간 분석된 일치성 적층 또는 임의성 적층된 이중층의 여기자 역학을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 MoS2 / WS2 이중층의 일치성 적층 또는 임의성 적층의 밴드 구조 및 MoS2 / WS2 이중층의 부분 전하 밀도 플롯을 나타내는 도면이다.
FIG. 1 is a flowchart showing a method of analyzing a semiconductor stack having interlayer alignment-based light absorption and light emission characteristics according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a first and a second stack manufacturing method (S100 and S300) for implementing the analyzing method of the present invention shown in FIG.
3 is a view illustrating a process of forming the first and second stacks in a heterogeneous vertical lamination structure according to the manufacturing method shown in FIG.
4 is a view showing a process in which the semiconductor stack of the present invention shown in FIG. 1 absorbs and emits light according to rotation of a single-layer hexagonal semiconductor.
FIG. 5 is a view showing a rotation crystal structure and absorption and emission characteristics of a MoS 2 / WS 2 stack which is a semiconductor stack of the present invention manufactured according to the manufacturing method shown in FIG.
Figure 6 is a diagram showing the excitonic dynamics of a very fast time analyzed conformed stack or random stacked double stack of the present invention.
7 is a diagram showing a band structure of the conformal laminate or random lamination of the MoS 2 / WS 2 double layer of the present invention and a partial charge density plot of the MoS 2 / WS 2 double layer.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor can properly define the concept of the term to describe its invention in the best way Should be construed in accordance with the principles and meanings and concepts consistent with the technical idea of the present invention.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "구비" 또는 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "모듈", "장치", "단계" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In the specification, when a component is referred to as being "comprising" or "including" an element, it is to be understood that this may include other elements, . Also, the terms "module", "apparatus", "step", and the like described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, and may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.

이하에서는, 편의상 제1 전이금속-칼코겐 화합물인 이황화 몰리브데늄을 "MoS2"로, 제2 전이금속-칼코겐 화합물인 이황화 텅스텐을 "WS2"로 명명하여 기재한다.Hereinafter, for convenience, the molybdenum disulfide, which is the first transition metal-chalcogen compound, is referred to as "MoS 2 " and the tungsten disulfide as the second transition metal-chalcogen compound is referred to as "WS 2 ".

도 1은 본 발명에 따른 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법을 나타내는 순서도이다.FIG. 1 is a flowchart showing a method of analyzing a semiconductor stack having interlayer alignment-based light absorption and light emission characteristics according to the present invention.

화학 기상 증착법을 이용하여 결정방향이 일치하는 전이금속-칼코겐 화합물의 수직 구조의 제1 스택이 제조된다(S100).A first stack of vertical structures of transition metal-chalcogen compounds with crystal orientation matching is prepared using chemical vapor deposition (S100).

물리적 전사를 이용하여 회전각 조절에 의해 결정 방향이 불일치하는 전이금속-칼코겐 화합물의 수직 구조의 제2 스택이 제조된다(S200).A second stack of the vertical structure of the transition metal-chalcogen compound in which crystal orientation is inconsistent by controlling the rotation angle using physical transfer is prepared (S200).

이때, 물리적 전사는 소재를 스탬프(stamp)로 기판에 전사하는 임프린트 방법으로서, 소재와 기판 표면간의 표면에너지를 물리적 처리 방법으로 조절한다.At this time, physical transfer is an imprint method in which a material is transferred to a substrate by a stamp, and the surface energy between the material and the substrate surface is controlled by a physical treatment method.

제1 및 제2 스택 각각의 원자층 간 광의 흡수 및 발광 양상이 측정된다(S300).The absorption and emission patterns of the inter-atomic layer light of each of the first and second stacks are measured (S300).

측정된 광의 흡수 및 발광 양상을 동역학 분석하여 천이 밴드갭이 판별된다(S400).
The transition band gap is determined by dynamically analyzing the absorption and emission patterns of the measured light (S400).

도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 분석 방법을 구현하기 위한 제1 및 제2 스택의 제조 방법(S100, S200)을 나타내는 순서도이다.FIG. 2 is a flowchart showing a first and a second stack manufacturing method (S100, S200) for implementing the analyzing method of the present invention shown in FIG.

도 3은 도 2에 도시된 제조 방법에 따라 제1 및 제2 스택이 이종 수직 적층 구조로 형성되는 과정을 나타내는 도면이다.3 is a view illustrating a process of forming the first and second stacks in a heterogeneous vertical lamination structure according to the manufacturing method shown in FIG.

단일 원자층 MoS2(Molybdenum Disulfide, 이황화 몰리브데늄), WS2(Tungsten Disulfide, 이황화 텅스텐)이 각각 수십 마이크로미터의 너비를 가지는 삼각형 모양의 단결정이 서로 다른 결정 방향으로 가지고 SiO2(300nm)/Si 기판 위에 수평 방향으로 수십 um까지 자발적으로 성장된다(S110).Single atomic layer MoS 2 (Molybdenum Disulfide, disulfide, molybdenum), WS 2 have the (Tungsten Disulfide, tungsten disulfide) is several tens of micrometers, the triangular shaped single crystal having a width different crystal each direction SiO 2 (300nm) / And spontaneously grows up to several tens of microns in the horizontal direction on the Si substrate (S110).

이때, 단일 원자층 MoS2는 고체 파우더 형태의 MoO3(Molybdenum Trioxide, 3황화 몰리브데늄)와 황(Sulfur, S)을 전구 물질로 하고, WS2는 WO3(Tungsten Trioxide, 3황화 텅스텐)와 황(Sulfur, S)을 전구 물질로 하여, 12 인치의 직경을 가지는 고온-벽 쿼츠-튜브 (hot-wall quartz-tube)로 이루어진 화학기상 증착기를 이용한 합성법으로 성장시킨다. At this time, the single atomic layer MoS 2 is composed of MoO 3 (molybdenum trioxide) and sulfur (S) as precursors in the form of solid powder, WS 2 is tungsten trioxide (WO 3 ) And sulfur (S) as precursors by chemical vapor deposition in a 12-inch diameter hot-wall quartz-tube.

기판 상에 흩어져 있는 삼각형 면 내에서, 개별 지향적인 단일층 결정은 수 mm 이상에 걸쳐 더 큰 단일층 결정에 합체된다(S120). Within the triangular planes scattered on the substrate, the individual oriented single layer crystals are incorporated into a larger single layer crystal over several millimeters (S120).

MoSMoS 2 -> 2 -> WSWS 22 의 순서로 성장시킨 경우, 먼저 성장한 단일 원자층 MoS, The first grown single atomic layer MoS 22 의 가장자리에서 단일 원자층 WSLt; RTI ID = 0.0 > WS 22 의 핵 생성이 시작된다(S130).(S130).

이어서, 도 3a에서 보는 바와 같이, 이종(heteroepitaxial) 수직 적층 성장이 소정의 온도에서 전환 전구 물질에 의해 순차적 제2 단일층 결정화에 의해 이루어진다(S140, S150).Then, heteroepitaxial vertical stacking growth is performed by a sequential second single-layer crystallization by a transition precursor at a predetermined temperature (S140, S150), as shown in FIG. 3A.

도 3c 내지 도 3e에서 보는 바와 같이, 660 °C에서의 MOSAs shown in Figures 3C-3E, the MOS at 660 < RTI ID = 0.0 > 22 단일층 성장이 800 °C에서 WS Single layer growth at 800 ° C WS 22 단일층 성장보다 선행된다.  Preceded by monolayer growth.

두 번째 단일층은 첫 단일층의 측면 가장자리에서 핵 성장하여 및 MOSThe second monolayer is nucleated at the lateral edge of the first monolayer and the MOS 22 단일층 위에 수직 방향으로 성장한다(S160). Grown in a vertical direction on a single layer (S160).

이때, 단일 원자층 MoSAt this time, a single atomic layer MoS 22 위에서 삼각형 모양의 WS The triangle WS 22 단일 단결정이 서로 만나 합쳐지면서 화학 반응이 일어나(S170) 수직 접합 구조의 다결정 형태의 WS (S170), the single-crystal single crystal is joined to the WS 22 단일 원자층 박막을 형성하게 된다(S180). Thereby forming a single atomic layer thin film (S180).

이와 같은 합성 공정을 통하여 결정 방향이 서로 일치하는 단일층 이황화 몰리브덴(MoSThrough such a synthesis process, a monolayer molybdenum disulfide (MoS 22 )/이황화 텅스텐(WS) / Tungsten disulfide (WS 22 ) 수직 적층 구조인 제1 스택이 제조되고(S100), 물리적 전사를 이용하여 결정 방향이 불일치하는 제2 스택이 제조된다(S200, S300).A first stack, which is a vertical stacked structure, is manufactured (S100), and a second stack in which crystal directions are inconsistent is manufactured using physical transfer (S200, S300).

이때, 고 분해능 투과 전자 현미경(high-resolution transmission electron microscopy; HRTEM)을 통하여 상대적인 결정 방향의 일치 여부가 확인된다.At this time, high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) confirms the coincidence of the relative crystal orientation.

또한, 상기 두 가지 종류의 화합물의 발광 및 흡수 특성을 후술하는 세부적인 과정을 통하여 분석하고(S400), 피코 초(picosecond, 1조 분의 1초) 분해능을 가지는 동역학 분석(S500)을 통해 회전각이 정확하게 일치할 경우 직접천이 밴드갭을 가진다는 것을 밝혀낸다(S600).In addition, the luminescence and absorption characteristics of the two types of compounds are analyzed through a detailed process described below (S400), and a kinetic analysis (S500) with picosecond resolution It is found that when the angles are exactly matched, they have a direct transition bandgap (S600).

도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 반도체 스택이 단일층 육각 반도체의 회전에 따라 광이 흡수 및 배출되는 과정을 나타내는 도면이다.4 is a view showing a process in which the semiconductor stack of the present invention shown in FIG. 1 absorbs and emits light according to rotation of a single-layer hexagonal semiconductor.

도 4a는 WS2 및 MOS2의 수직 스택이 모멘텀(K) 공간, 즉 역 격자 구조에 있는 경우이고, 도 4b는 WS2 및 MOS2의 수직 스택이 실제 공간, 즉 실제 격자 구조에 있는 경우이다.4A shows a case in which the vertical stacks of WS 2 and MOS 2 are in the momentum (K) space, that is, in the reciprocal lattice structure, and FIG. 4B shows the case in which the vertical stacks of WS 2 and MOS 2 are in the actual space, .

도 4a에서 보는 바와 같이, 공간적 스펙트럼 및 시분할된(time-resolved) 광전자 프로브를 사용하여 성장된 단일 원자층 형태의 2차원 MoS2와 WS2의 수직 적층 구조와 구조의 회전각도에 따른 흡수 및 발광 특성을 실험한 결과, 좌측의 역 격자 구조에서 보면 단일 원자층 MoS2, WS2가 육각형 형태로 표현되고 적층된 상태에서 회전각도가 "0"도 일 때 소정의 에너지를 가진 광이 발광되는 것(분홍색 화살 표시)이 관찰되었다.As shown in FIG. 4A, the vertical stacking structure of two-dimensional MoS 2 and WS 2 in the form of a single atomic layer grown using a spatial spectrum and a time-resolved photoelectron probe, and absorption and emission As a result of the experiment, it was found that when the single atomic layers MoS 2 and WS 2 are expressed in a hexagonal shape in the left-handed inverted lattice structure and light having a predetermined energy is emitted when the rotation angle is "0" (Marked with a pink arrow).

또한, 우측의 역 격자 구조에서 보면 임의의 회전각도로 적층이 된 경우에는 광이 발광되지 않는 것(흑색 화살 표시)으로 이 관찰되었다.In the reverse lattice structure on the right side, it was observed that no light was emitted (indicated by black arrows) when lamination was performed at an arbitrary rotation angle.

이때, 2차원 MoS2와 WS2의 수직 적층 구조는 도 4b에서 보는 바와 같이, 비 상응되는 층간 회전 없이 MoS2 및 WS2 단일층의 육각 상 육각형 단위 셀 스택과 일치성 적층의 이중층 스택이 수직 이종 성장에 의해 형성되었다.In this case, as shown in FIG. 4B, the vertical stacked structure of the two-dimensional MoS 2 and WS 2 has a hexagonal hexagonal unit cell stack of the MoS 2 and WS 2 single layers without matching interlayer rotation, It was formed by heterogeneous growth.

두 단일층 결정은 동일한 육각 결정 대칭 및 유사한 크기(MoS2의 경우 a=3.150 Å, WS2의 경우 a=3.153 Å, 상기 a는 단위 셀의 한 변 길이)를 가진다.The two monolayer crystals have the same hexagonal crystal symmetry and similar size (a = 3.150 A for MoS 2 and a = 3.153 A for WS 2 , where a is the length of one side of the unit cell).

따라서, 개개의 원자가 위치하여 단일층 결정 적층 순서가 회전 부정합 없이 열역학적으로 안정될 수 있게 된다.
Thus, the individual atoms are located so that the single layer crystal laminating order can be thermodynamically stable without rotational misalignment.

도 5는 도 1에 도시된 제조 방법에 따라 제조된 본 발명의 반도체 스택 인 MoS2 / WS2 스택의 회전 결정 구조 및 광의 흡수 및 방출 특성을 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a view showing a rotation crystal structure and absorption and emission characteristics of a MoS 2 / WS 2 stack which is a semiconductor stack of the present invention manufactured according to the manufacturing method shown in FIG.

도 5a는 수직 적층의 평면 전송 전자 현미경 이미지이고, 하위 삽입은 각 영역에서의 고속 푸리에 변환 회절 패턴으로서, 스택에서 변하지 않는 육각 단위 셀 방향을 나타낸다.FIG. 5A is a planar transmission electron microscope image of a vertical stack, and the bottom insertion represents a fast Fourier transform diffraction pattern in each region, which does not change in the stack.

도 5b 및 도 5c는 MoS2 / WS2 스택 장치의 광학 현미경 이미지와 로컬 광 흡수 및 발광의 성장 개략도이고, 도 5d 내지 도 5f는 광 전류(Iph) 및 MoS2 (청색), WS2 (적색) 및 로컬 광 조명에 의해 일치성 적층된 MoS2 / WS2 이중층(녹색)의 발광(PL) 스펙트럼이며, 도 5g 및 도 5h는 광 전류(Iph)와 발광(PL) 스펙트럼의 비교이다.Figures 5b and 5c are optical microscope images of the MoS 2 / WS 2 stacking device and the growth of local light absorption and luminescence; Figures 5d to 5f show the photocurrent ( Iph ) and MoS 2 (blue), WS 2 (Green), and FIG. 5g and FIG. 5h are comparisons of the photocurrent (I ph ) and the emission spectrum (PL) spectra of the MoS 2 / WS 2 bilayer .

MoS2/ WS2 적층 구조의 흡수/발광 양상을 보기 위하여 화학 기상 증착법을 통해 회전각도가 "0" 도로 제어된 적층 구조에 전기적 접점을 대고 전류를 측정할 수 있는 소자가 제조되었다. In order to investigate the absorption / luminescence patterns of the MoS 2 / WS 2 laminated structure, a device capable of measuring electrical current by placing electrical contacts on a laminated structure whose rotation angle is controlled to "0" by chemical vapor deposition has been manufactured.

그 후 광을 부분적(local)으로 포커싱하면서 전류가 측정되어 광 전류 (photocurrent)의 흡수 양상이 확인된다. The current is then measured while focusing the light locally to ascertain the mode of absorption of the photocurrent.

또한, 해당 2차원 구조의 밴드 갭보다 큰 에너지의 광을 입사하면서 나오는 광의 스펙트럼을 분석하여 발광 양상을 흡수양상과 비교하여 확인된다.Further, the spectrum of the light emitted while the light having the energy larger than the bandgap of the two-dimensional structure is analyzed, and the emission pattern is confirmed by comparing with the absorption pattern.

즉, 도 5a에서 보는 바와 같이, 에지 핵 형성에 의해 첫 번째 MoS2 및 WS2 단일층 상에 두 번째 WS2 단일층 통해 성장하는 이종 적층 성장이 발생함을 알 수 있고, 하위 삽입된 이미지를 통해 고속 푸리에 변환이 시간 단위 셀의 평면 방향이 동일한 것이 확인되었다.That is, as shown in FIG. 5 (a), it can be seen that by edge nucleation, heterogeneous stack growth occurs through the second WS 2 monolayer on the first MoS 2 and WS 2 monolayers, It is confirmed that the fast Fourier transform has the same plane direction of the time unit cell.

따라서, 이중층 스택은 반 데르 발스(van der Waals) 인터페이스를 통해 회전적으로 일치하여 회전각도가 "0"이라는 것이 확인되었다.Thus, the bilayer stack was rotationally matched through the van der Waals interface, confirming that the angle of rotation was "0 ".

이때, 임의성 이중층 스택은 개별 MoS2 및 WS2 단일층이 수동으로 적층하여 제작되었으므로, 회전 부정합 순서는 알 수 없다.At this time, the arbitrary double layer stack is made by manually stacking the individual MoS 2 and WS 2 single layers, so that the order of rotation misalignment is unknown.

도 5b 및 도 5c에서 보는 바와 같이, 화학 기상 증착법을 통해 얻은 MoS2 / WS2 적층 구조에 전기적 접점(W1, W2, M1, M2)을 만들어 광을 부분적(local)으로 포커싱하면서 광 전류(photocurrent, Iph)를 측정함으로써, 단일층 내(intra-ML) 및 단일층 간(inter-ML) 천이로 인한 광 흡수 및 방출이 확인되었다.5b and 5c, the electrical contacts W1, W2, M1 and M2 are formed on the MoS 2 / WS 2 laminated structure obtained by the chemical vapor deposition method to focus the light locally, , Iph), light absorption and emission due to intra-ML and inter-ML transitions were confirmed.

이때, 회절 제한 레이저 빔 스폿은 이중층 스택 내 각 단일층을 공간적으로 분석하기에 충분히 작아야 한다.At this time, the diffraction limited laser beam spot must be small enough to spatially analyze each single layer in the bilayer stack.

또한, 단일층 결정의 작은 광 흡수로 인하여 앙상블 평균이 없는 개별 단일층의 광학적 흡수의 직접적인 프로빙이 기술적으로 어렵기 때문에, 광 전류 스펙트럼 수집을 위해 부분적 조명이 사용된다.Also, partial illumination is used for the collection of photocurrent spectra, since direct probing of the optical absorption of individual single layers without an ensemble average is technically difficult due to the small light absorption of the single layer crystal.

도 5d에서 보는 바와 같이, 실선으로 표시된 광전자는 1.8 eV 이상에서 흡수가 시작되고, A 및 B 지점에서 공명이 일어나는 것을 알 수 있고, 중공 원(hollow circle)으로 표시된 발광 특성은 A 지점에서 발광이 많이 되는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5D, it can be seen that the photoelectrons indicated by the solid line start to absorb at 1.8 eV or more, resonance occurs at the points A and B, and the luminous characteristics indicated by the hollow circle are You can see that it is a lot.

이러한 흡수 및 발광 양상은 MoS2 단일 원자층 구조에서 확인된 것과 동일하다.This absorption and emission pattern is identical to that found in the MoS 2 single atom layer structure.

도 5e에서 보는 바와 같이, WS2 단일 원자층 구조의 경우 MoS2 단일 원자층 구조와 동일하게 A 및 B 지점에서 공명이 일어나는 것을 알 수 있으나, 공명 간격이 MoS2 단일 원자층 구조보다 큰 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5E, it can be seen that resonance occurs at points A and B as in the case of the MoS 2 single atom layer structure in the WS 2 single atom layer structure, but the resonance interval is larger than that of the MoS 2 single atom layer structure .

도 5f에서 보는 바와 같이, 회전각도가 "0"인 MoS2/ WS2 수직 적층 구조의 경우, 단일 원자층의 경우와 달리 1.5 eV 근처에서 발광 스펙트럼이 나오는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 5F, in the case of the MoS 2 / WS 2 vertical stacked structure having the rotation angle of "0", the emission spectrum appears near 1.5 eV unlike the case of the single atomic layer.

도 5g에서 보는 바와 같이, 수직 적층 구조인 MoS2/ WS2 (연두색)의 광 흡수 양상이 단일 원자층 구조인 MoS2 (청색) 및 WS2 (적색)과 비교할 때, 좌향 쉬프트한 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 5G, it can be seen that the light absorption pattern of MoS 2 / WS 2 (light green) as a vertically stacked structure is leftward shifted compared with MoS 2 (blue) and WS 2 (red) have.

도 5h에서 보는 바와 같이, 광 방출 양상이 수직 적층 구조인 MoS2/ WS2 (녹색)의 경우에서만 1.5 eV 근처에서 스펙트럼이 나오고, 종래의 방식대로 화학 증착 방법이 아닌 임의의 각도로 적층한 수직 구조의 경우(황색)에는 1.5 eV 근처에서 발광 스펙트럼이 관찰되지 않음을 확인할 수 있다.
As shown in FIG. 5 (h), in the case of MoS 2 / WS 2 (green) in which the light emission pattern is vertical stacking structure, the spectrum appears near 1.5 eV, and the vertical Structure (yellow), the emission spectrum is not observed near 1.5 eV.

도 6은 본 발명의 초고속 시간 분석된 일치성 적층 또는 임의성 적층된 이중층의 여기자 역학을 나타내는 도면이다.Figure 6 is a diagram showing the excitonic dynamics of a very fast time analyzed conformed stack or random stacked double stack of the present invention.

도 6a의 상단 패널은 일치성으로 적층된 이중층과 임의적으로 적층된 이중층의 층간 여기자의 과도 역학 비교이고, 두 이중층은 동일 레이저 조사량에 의해 펌핑되고, 1.6 eV의 동일한 프로브 광자 에너지에서 측정되었다.The top panel of FIG. 6A is a transient dynamics comparison of the interlayer excitons of the coincidentally stacked bilayer and the optionally stacked bilayers, and the two bilayers were pumped by the same laser dose and measured at the same probe photon energy of 1.6 eV.

또한, 도 6a의 하단 패널은 동일 레이저 조사량으로 펌핑되어 일치성으로 적층된 이중층에서 측정된 MoS2 (청색, 1.87 eV) 및 WS2 (적색, 1.96 eV)의 층간 여기자 역학을 나타낸다.In addition, the bottom panel of Fig. 6a shows the interlayer exciton dynamics of MoS 2 (blue, 1.87 eV) and WS 2 (red, 1.96 eV) measured in a double layer deposited in the same laser pumped dose.

도 6b는 일치성으로 적층된 이중층의 펌프 조사량 의존 최대 T/T0를 나타내며, 도 6c는 1.6 eV까지의 직접 층간 여기자 상태에서 스펙트럼 분석된 T/T0가 도시되어 있다. Figure 6b is a dose-dependent pump of the double-layer laminated in correspondence indicates the maximum T / T 0, Figure 6c is a spectral analysis on the direct inter-exciton state up to 1.6 eV T / T 0 is shown.

도 6d는 펌프 - 프로브 지연 ΔT(좌측에서 우측)의 함수로서, 펌프-유도 여기자 변이에 대한 개략도이고, 3.1 eV의 펌프 여기(좌측) 후에 즉각 전자가 MoS2로 빠르게 전송되며, 홀이 빠르게 WS2로 전송(가운데)되고, 그 후 층간 재결합은 1.6 eV (우측)의 프로브 광자 에너지를 설정하여 측정된다.Figure 6d is the pump-probe delay ΔT as a function of (from left to right), the pump-a schematic diagram of the induction exciton transition, after pump here (on the left) of 3.1 eV is immediately electron is rapidly transferred to the MoS 2, fast hole WS 2 (center), and then interlayer recombination is measured by setting the probe photon energy of 1.6 eV (right).

더 일관되고 일치성으로 적층된 이중층과 임의적으로 적층된 이중층의 층간 전이에서 관찰된 결과를 대비하기 위해, 단일층간 전이 역학에 관한 초고속 시간 분할 광 펌프 프로브 분광법을 사용한다.In order to compare the observed results in the interlayer transitions of more consistent and consistently stacked bilayers and randomly stacked bilayers, ultrafast time-resolved optical pump probe spectroscopy on single interlayer transition dynamics is used.

즉, 도 6은 MoS2/ WS2 수직 적층 구조에서의 발광 양상이 나온 1.5 eV 근처 에서, 층간 방출(interlayer emission)과 관련된 캐리어 동역학(carrier dynamics)를 관찰하기 위하여 펌프 프로브(pump-probe) 실험이 진행되었고 그에 관한 결과를 그래프로 표현한 것이다. That is, FIG. 6 shows a pump-probe experiment to observe the carrier dynamics associated with interlayer emission near the 1.5 eV emission pattern in the vertical stacked structure of MoS 2 / WS 2. This is a graphical representation of the results.

여기에서, 펌프 프로브 실험이란 피코 초(picoseconds)의 해상도를 가지는 실험을 하기 위해 수십 펨토 초(femtosecond)의 펄스 폭을 가지는 펌프 광을 물질에 입사한 뒤 소정의 시간 경과(Δt) 후에 프로브 광을 물질에 다시 입사하여 전달 변화를 보는 실험이다. Here, in order to perform an experiment having a resolution of picoseconds, a pump probe test is performed in such a manner that a pump light having a pulse width of several tens of femtoseconds is incident on a material, and after a predetermined time (t) It is an experiment to re-enter the material and see the change of transmission.

3.1 eV의 에너지를 가지는 펌프 광을 수직 적층 구조에 입사하면 전자와 정공이 생성되고, 이 전자와 정공들이 다른 층으로 전하 분리(charge separation)되어 재결합(recombination)됨에 따라 다시 없어지는 양상을 보이는데 이 과정들의 시간을 확인함으로써 수직 적층 구조의 층간 광 흡수 및 발광 동역학을 직접적으로 확인할 수 있다.
When a pump light having energy of 3.1 eV is incident on a vertical stacked structure, electrons and holes are generated, and the electrons and holes are separated from each other by charge separation and recombination. By confirming the time of the processes, it is possible to directly confirm the interlaminar absorption and the photoluminescence dynamics of the vertical stacked structure.

도 6a에서 보는 바와 같이, 황색 그래프는 회전각도가 "0"인 일치성 수직 적층 구조의 결과로서, 매우 빠른 속도로 층간 재결합(interlayer recombination)이 되는 것을 확인할 수 있고, 녹색 그래프는 임의의 각도로 적층된 구조의 경우의 결과로서, 일치성 수직 적층 구조보다 더 느린 속도로 재결합되는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 6A, it can be seen that the yellow graph is interlayer recombination at a very high speed as a result of the coherent vertical lamination structure with the rotation angle of "0 & As a result of the laminated structure, it can be confirmed that the recombination occurs at a slower rate than the conformable vertical stacked structure.

즉, 적층들은 50-FS, 3.1 eV의 펌프 펄스를 이용하여 여기되고, 1.47 내지 2.13 eV 프로브 양성자 에너지의 해당 차동 전송 데이터(T/T0, 상기 T 는 펌프 유도된 전송 변화이고, T0는 펌핑없는 전송)는 펌프 프로브 지연(t)의 함수로서 측정된다.That is, the laminated are 50-FS, is excited by the pump pulse of 3.1 eV, and 1.47 to 2.13 eV probe proton appropriate differential transmission data of energy (T / T 0, wherein T is a pump-induced transmission change, T 0 is Pumping transmission) is measured as a function of the pump probe delay t.

도 6a의 상부 그래프에서 보는 바와 같이, 일치성 적층 및 임의성 적층 모두 펌핑 직후, 1.6 eV 프로브를 가진 층간 여기자에 대한 신호가 빠르게 T/T0 로 증가한다.As can be seen in the top graph of FIG. 6A, immediately after pumping both the conformal and random stacks, the signal for interlayer excitons with a 1.6 eV probe increases rapidly to T / T 0 .

도 6b에서 보는 바와 같이, 신호가 광의 파워에 따라 선형적으로 증가하는 것을 보임으로써, 1차 모집단 동역학은 발광(PL) 및 해당 차동 전송 데이터(T/T0) 동역학을 기본적으로 지배하고 반응이 비선형적이지 아니라는 것을 확인할 수 있다.6b, the primary population dynamics dominate the emission (PL) and corresponding differential transmission data (T / T 0 ) dynamics basically by showing that the signal increases linearly with the power of the light, It can be confirmed that it is not nonlinear.

도 6c에서 보는 바와 같이, 프로브 에너지에 따른 신호의 크기 비교를 통해 층간 광 흡수가 1.6 eV에서 공진하여 일어나는 것을 확인 할 수 있다. As shown in FIG. 6C, it can be confirmed that the interlayer optical absorption occurs by resonance at 1.6 eV through comparison of the signal intensity according to the probe energy.

즉, 수직 구조의 경우 1.6 eV의 새로운 직접천이 밴드갭을 가진다.That is, the vertical structure has a new direct transition band gap of 1.6 eV.

도 6d에서 보는 바와 같이, 광 여기된 전자와 정공은 MoS2 및 WS2의 선호하는 에너지 상태로 즉시 전사되는데, 이러한 신속한 전하 이동 및 층간 여기 분포는 도 5f 및 도 5h에 도시된 측정된 발광 강도를 나타낸다.As shown in Figure 6d, the photoexcited electrons and holes are immediately transferred to the preferred energy states of MoS 2 and WS 2 , and this rapid charge transfer and interlayer excitation distribution results in the measured emission intensities shown in Figures 5f and 5h .

만일, 전하 이동이 개별적인 단일층의 층간 여기 수명과 비교할 때 느린 경우, 어떠한 층간 발광도 기대할 수 없게 된다.If the charge transfer is slow compared to the individual interlayer excursion lifetime, no interlayer luminescence can be expected.

이와 같이, 빠른 속도로 재결합되는 결과를 통하여 회전각도가 "0"인 일치성 수직 적층 구조가 1.6 eV 근처에서 직접 천이 밴드갭을 가진다는 것을 알 수 있다.
Thus, it can be seen from the result of the rapid recombination that the coherent vertical lamination structure having a rotation angle of "0 " has a direct transition band gap near 1.6 eV.

도 7은 본 발명의 MoS2 / WS2 이중층의 일치성 적층 또는 임의성 적층의 밴드 구조 및 MoS2 / WS2 이중층의 부분 전하 밀도 플롯을 나타내는 도면으로서, 이론적인 접근 및 계산을 통해서 회전각도가 "0"인 경우와 아닌 경우의 전자구조를 계산하여 실험결과와 비교한 것이다. Figure 7 is the angle of rotation "through a drawing showing partial charge density plot of the present invention of MoS 2 / WS of the second double layer of correspondence laminated or randomness laminated band structure and the MoS 2 / WS 2 double layer, the theoretical approach and calculate 0 "and the electronic structure in the case of " 0 "

도 7a는 MoS2 / WS2 이중층의 일치성 적층의 밴드 구조이고, 도 7b는 MoS2 / WS2 이중층의 2개의 단일층 사이에 21.79 도만큼 회전된 임의성 적층의 밴드 구조이며, 도 7c는 MoS2 / WS2 이중층의 두 층 사이에 큰 거리(1 ㎚ 초과)를 가진 일치성 적층의 밴드 구조로서, 상부 도면들은 각 적층형에 대한 원시 셀 브릴 루앙 영역의 중첩도를 나타낸다.Figure 7a is MoS 2 / WS, and the band structure of a two-layer correspondence laminate of Figure 7b is a band structure of MoS 2 / WS 2 Double Layer 2 The 21.79 degree rotation as between the single-layer randomness laminate of Figure 7c is MoS 2 / WS < / RTI > double layer, with the top views showing the overlap of the native cell Brillouin region for each stack.

브릴 루앙 영역 상의 점선들은 밴드 구조에 따라 계산된 경로(K)를 나타내고, 회전각도가 "0"인 일치성 적층 이중층은 직접-밴드 갭 특징을 나타내고, 회전각도가 "0"이 아닌 임의성 적층 이중층은 간접-밴드 갭 특징을 나타냄을 알 수 있다.The dotted lines on the Brillouin region represent the path K calculated according to the band structure, and the conformable laminated bilayer with the rotation angle of "0 " has the direct-bandgap characteristic and the non- Shows an indirect-band gap characteristic.

또한, MoS2의 단일층과 WS2 단일층의 각 기여도는 각각 청색 십자가 및 적색 원의 크기로 표시된다.In addition, the respective contributions of a single layer of MoS 2 and a single layer of WS 2 are indicated by the size of the blue cross and the red circle, respectively.

도 7d 내지 도 7f는 가 전자대(Valence band)의 Γ 지점에서 도 7a 내지 도 7c에 사용된 구조의 부분적인 전하 밀도 플롯으로서, 층간 궤도 상호 작용이 G 지점에서의 궤도의 전하 밀도 플롯으로부터 식별된다. 즉, 밴드 구조와 연관된 전하의 재결합이 층간 상호 작용과 관련 있음을 알 수 있다.Figures 7d-f are partial charge density plots of the structures used in Figures 7a-7c at the Γ point of the Valence band, where interlayer orbital interactions are identified from the charge density plots of the orbits at point G do. That is, the recombination of the charges associated with the band structure is related to the interlayer interaction.

따라서, 본 발명의 초격자 구조는 흡광과 발광 측면에서 간접 천이 밴드갭을 가지는 단순 물리적 전사 방법을 통한 적층 구조와는 달리, 직접 천이 밴드갭을 가진다는 것이 최초로 규명되었고, 이러한 규명을 통해 2차원 원자층 반도체 적층 구조에서 결정 회전 각도가 원자층 간의 상호 작용을 기술하는 새로운 양자수임이 과학적으로 증명됨에 따라, 향후에 인공적인 반도체 물질 제작이 가능하게 됨을 암시한다.Therefore, the superlattice structure of the present invention was firstly found to have a direct transition band gap, unlike the lamination structure through a simple physical transfer method having an indirect transition band gap in terms of light absorption and light emission. It is scientifically proved that the crystal rotation angle in the atomic layer semiconductor lamination structure describes the interaction between the atomic layers, suggesting that the fabrication of artificial semiconductor materials will become possible in the future.

즉, MoS2/ WS2 수직 이종 접합 물질에서는 각 구성 물질인 단일층이 가지지 못하는 새로운 광 특성이 발현됨을 알 수 있고, 이는 층 간의 상호작용으로 인한 전자 밴드 구조의 변화에 의한 것으로 이에 대해 흡/발광 특성을 연구한 결과 그 특성이 물질 간 광전자 여기에서 비롯되는 직접 천이형으로 관찰되었다. That is, in the MoS 2 / WS 2 vertical heterogeneous bonding material, a new optical characteristic which is not possessed by a single layer, which is a constituent material, is expressed. This is due to the change of the electron band structure due to the interlayer interaction, As a result of studying the luminescent properties, the characteristics were observed as direct shear deformations originating from optoelectronic excitation between materials.

이는 에피택셜 구조로 합성된 MoS2/ WS2 수직 이종 접합 물질의 경우 단원자층 간의 회전 부정합(rotational misfit)이 없기 때문에 모멘텀 공간, 즉 역 격자 구조에서도 회전 부정합이 없음을 레이저 분광학과 동역학 실험을 통해 최초로 규명된 것이다.
In the case of MoS 2 / WS 2 vertical heteromaterials synthesized by epitaxial structure, there is no rotational misfit between monomolecular layers. Therefore, there is no rotational mismatch in the momentum space, that is, the reciprocal lattice structure. It was first identified.

이와 같이, 본 발명의 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법은 단일 원자층 반도체 2차원 초격자 구조에서 나타나는 광학적 특성이 원자층간 결정 회전 방향을 조절하여 원자층간 상호작용에 의한 새로운 파장의 흡광과 발광 특성을 제어할 수 있도록 두 가지의 전이금속-칼코겐 화합물의 상대적인 결정방향이 나란히 일치하는 초격자 구조를 합성하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법을 제공한다.As described above, the method of analyzing a semiconductor stack having interlayer alignment-based light absorption and luminescence characteristics according to the present invention is characterized in that optical characteristics appearing in a two-dimensional superlattice structure of a single atom layer semiconductor control atomic layer crystal rotation direction, Analysis of Semiconductor Stack with Interlayer Orientation-Based Optical Absorption and Luminescence Characteristics for Synthesizing Superlattice Structure with Relative Crystallographic Directions of Two Transition Metal-Chalcogen Compounds to Control the Absorption and Luminescence Properties of New Wavelength .

이를 통하여, 2차원 반도체 적층 구조의 상대적인 결정 방향을 선택적으로 일치 또는 불일치시키는 조절이 가능하여 새로운 전자 구조를 인공적으로 형성할 수 있고, 종래에 보고되지 않은 새로운 인공 저 차원 반도체 구조를 실현 할 수 있게 된다. Accordingly, the relative crystal orientation of the two-dimensional semiconductor laminated structure can be selectively matched or discordant, and a new electronic structure can be artificially formed, and a novel artificial low dimensional semiconductor structure do.

또한, 2차원 원자층 물질 간의 상호작용이 원자층 간 회전각도에 따라 새로이 결정되어 다양한 광 물리 현상 연구가 가능해지고, 이를 통한 물질 특성 제어를 통하여 2차원 물질 발광체, 레이저, 광 검출기 등으로 실제 산업상에 폭넓게 응용이 가능하게 된다.In addition, interaction between two-dimensional atomic layer materials is newly determined according to the angle of rotation between atomic layers, and various photophysical phenomenon researches become possible. Through the control of material properties through this, two-dimensional material luminous body, laser, It is possible to apply it to a wide range of applications.

이상, 일부 실시예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것으로서, 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수 없다 할 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형 또는 수정하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

Claims (12)

(a) 화학 기상 증착법을 이용하여 결정방향이 일치하여 단일 원자층 간 회전각이 "0"인 전이금속-칼코겐 화합물의 제1 스택이 제조되는 단계;
(b) 물리적 전사를 이용하여 상기 회전각의 조절에 의해 결정 방향이 불일치하여 단일 원자층 간 회전각이 "0"이 아닌 전이금속-칼코겐 화합물의 제2 스택이 제조되는 단계;
(c) 상기 제1 및 제2 스택 각각의 원자층 간 광의 흡수 및 발광 양상이 측정되는 단계; 및
(d) 상기 측정된 광의 흡수 및 발광 양상을 동역학 분석하여 천이 밴드갭이 판별되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
(a) preparing a first stack of transition metal-chalcogen compounds with a single atomic layer rotation angle of "0 " with a crystal orientation consistent using chemical vapor deposition;
(b) preparing a second stack of transition metal-chalcogenide compounds whose crystal orientation is inconsistent by adjusting the rotation angle using physical transfer so that the interatomic rotation angle is not "0 ";
(c) measuring an absorption and emission pattern of light between the atomic layers of each of the first and second stacks; And
(d) dynamically analyzing the absorption and emission patterns of the measured light to determine a transition band gap;
Wherein the semiconductor stack has an interlayer orientation-based light absorption and light emission characteristics.
제 1 항에 있어서,
상기 (a) 단계는
제1 전이금속-칼코겐 화합물의 상기 단일 원자층이 제1 온도에서 실리콘 산화물 기판 상에 성장되는 단계;
제2 전이금속-칼코겐 화합물의 상기 단일 원자층이 상기 제1 전이금속-칼코겐 화합물 상에 합체되어 상기 제1 전이금속-칼코겐 화합물의 가장자리에서부터 상기 제2 전이금속-칼코겐 화합물의 핵 생성이 시작되는 단계;
제2 온도에서 순차적 단일층 결정화에 의해 이종 수직 적층 성장이 이루어져 상기 제2 전이금속-칼코겐 화합물이 상기 제1 전이금속-칼코겐 화합물 상에 수직 방향으로 성장되는 단계; 및
상기 수직 방향으로 성장된 제2 전이금속-칼코겐 화합물의 단결정이 합체되어 화학 반응이 일어나 다결정의 단일 원자층 박막을 형성하여 결정 방향이 일치하는 상기 제1 스택이 제조되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
The method according to claim 1,
The step (a)
Wherein said single atomic layer of a first transition metal-chalcogen compound is grown on a silicon oxide substrate at a first temperature;
Wherein said single atomic layer of a second transition metal-chalcogen compound is incorporated onto said first transition metal-chalcogen compound to form a nucleus of said second transition metal-chalcogen compound from the edge of said first transition metal- The generation of which starts;
Wherein the second vertical metal-chalcogen compound is grown in a vertical direction on the first transition metal-chalcogenide compound by sequential single layer crystallization at a second temperature; And
The first transition metal-chalcogenide single crystal grown in the vertical direction is combined to form a single atomic layer thin film of a polycrystal, thereby forming the first stack having the same crystal orientation;
Wherein the semiconductor stack has an interlayer orientation-based light absorption and light emission characteristics.
제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계는
제1 전이금속-칼코겐 화합물의 상기 단일 원자층이 제1 온도에서 실리콘 산화물 기판 상에 성장되는 단계;
제2 전이금속-칼코겐 화합물의 상기 단일 원자층이 상기 제1 전이금속-칼코겐 화합물 상에 합체되어 상기 제1 전이금속-칼코겐 화합물의 가장자리에서부터 상기 제2 전이금속-칼코겐 화합물의 핵 생성이 시작되는 단계;
제2 온도에서 순차적 단일층 결정화에 의해 이종 수직 적층 성장이 이루어져 상기 제2 전이금속-칼코겐 화합물이 상기 제1 전이금속-칼코겐 화합물 상에 수직 방향으로 성장되는 단계; 및
상기 수직 방향으로 성장된 제2 전이금속-칼코겐 화합물의 단결정이 합체되어 화학 반응이 일어나 다결정의 단일 원자층 박막을 형성하여 표면 에너지를 물리적 처리하는 상기 물리적 전사에 의해 결정 방향이 불일치하는 상기 제2 스택이 제조되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
The method according to claim 1,
The step (b)
Wherein said single atomic layer of a first transition metal-chalcogen compound is grown on a silicon oxide substrate at a first temperature;
Wherein said single atomic layer of a second transition metal-chalcogen compound is incorporated onto said first transition metal-chalcogen compound to form a nucleus of said second transition metal-chalcogen compound from the edge of said first transition metal- The generation of which starts;
Wherein the second vertical metal-chalcogen compound is grown in a vertical direction on the first transition metal-chalcogenide compound by sequential single layer crystallization at a second temperature; And
Wherein the first transition metal-chalcogen compound grown in the vertical direction is combined with a chemical reaction to form a mono-atomic layer thin film of polycrystalline to physically treat the surface energy, 2 stack;
Wherein the semiconductor stack has an interlayer orientation-based light absorption and light emission characteristics.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제1 전이금속-칼코겐 화합물은
이황화 몰리브데늄(MoS2)이고,
상기 제2 전이금속-칼코겐 화합물은
이황화 텅스텐(WS2)인 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
The method according to claim 2 or 3,
The first transition metal-chalcogen compound
Molybdenum disulfide (MoS 2 )
The second transition metal-chalcogen compound
Wherein the tungsten disulfide is tungsten disulfide (WS 2 ).
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제1 온도는 660 °C 이고,
상기 제2 온도는 800 °C 인 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
The method according to claim 2 or 3,
The first temperature is 660 ° C,
Lt; RTI ID = 0.0 > 800 C. < / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는
상기 제1 및 제2 스택의 원자층 상부에 전기적 접점을 형성하여 전류가 측정되는 단계;
상기 전류가 흐르는 상기 제1 스택에 광을 부분적으로 포커싱하면서 광 전류의 흡수 양상이 확인되는 단계; 및
상기 제1 스택의 밴드 갭보다 큰 에너지의 광을 상기 제1 스택에 입사하면서 발광되는 광의 스펙트럼을 분석하여 상기 광 전류의 흡수양상과 비교되는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
The method according to claim 1,
The step (c)
Forming an electrical contact on top of the atomic layer of the first and second stacks to measure current;
Partially focusing the light on the first stack through which the current flows, thereby confirming the absorption phase of the photocurrent; And
Analyzing a spectrum of light emitted while entering light of an energy greater than a bandgap of the first stack into the first stack, and comparing the spectra of the light with absorption patterns of the photocurrent;
Wherein the semiconductor stack has an interlayer orientation-based light absorption and light emission characteristics.
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계는
단일층간 전이 역학에 관한 초고속 시간 분할 광 펌프 프로브 분광법을 이용하여 상기 제1 및 제2 스택의 층간 전이가 관찰되는 단계; 및
상기 층간 전이로 인해 전하 재결합되는 속도를 통하여 상기 천이 밴드갭이 직접 천이 밴드갭인지 여부가 판별되는 단계;
를 포함하는 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
The method according to claim 1,
The step (d)
Interlayer transitions of the first and second stacks are observed using ultrafast time-resolved optical pump probe spectroscopy on single interlayer transition dynamics; And
Determining whether the transition band gap is a direct transition band gap through the rate of charge recombination due to the interlayer transition;
Wherein the semiconductor stack has an interlayer orientation-based light absorption and light emission characteristics.
제 7 항에 있어서,
상기 (d) 단계에서
상기 제1 스택이
상기 전하 재결합되는 속도가 상기 제2 스택보다 높아 상기 천이 밴드갭이 직접 천이 밴드갭인 것이 판별되는 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
8. The method of claim 7,
In the step (d)
The first stack
Wherein the charge recombination speed is higher than that of the second stack, and the transition band gap is determined to be a direct transition band gap.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 결정방향의 일치 여부는
고 분해능 투과 전자 현미경을 통하여 상기 제1 및 제2 전이금속-칼코겐 화합물의 상대적인 결정 방향의 일치 여부가 확인되는 것을 특징으로 하는,
층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
The method according to claim 2 or 3,
The coincidence of the crystal orientation
Wherein the first and second transition metal-chalcogen compounds are confirmed to be in conformity with each other through a high-resolution transmission electron microscope.
Method for the analysis of semiconductor stacks with interlayer orientation - based optical absorption and luminescence properties.
(a) 화학 기상 증착법을 이용하여 결정방향이 일치하여 단일 원자층 간 회전각이 "0"인 전이금속-칼코겐 화합물의 제1 스택이 제조되는 단계;
(b) 물리적 전사를 이용하여 상기 회전각의 조절에 의해 결정 방향이 불일치하여 단일 원자층 간 회전각이 "0"이 아닌 전이금속-칼코겐 화합물의 제2 스택이 제조되는 단계;
(c) 상기 제1 및 제2 스택 각각의 원자층 간 광의 흡수 및 발광 양상이 측정되는 단계; 및
(d) 상기 측정된 광의 흡수 및 발광 양상을 동역학 분석하여 천이 밴드갭이 판별되는 단계;
를 포함하고,
상기 (c) 단계는
상기 제1 및 제2 스택의 원자층 상부에 전기적 접점을 형성하여 전류가 측정되는 단계;
상기 전류가 흐르는 상기 제1 스택에 광을 부분적으로 포커싱하면서 광 전류의 흡수 양상이 확인되는 단계; 및
상기 제1 스택의 밴드 갭보다 큰 에너지의 광을 상기 제1 스택에 입사하면서 발광되는 광의 스펙트럼을 분석하여 상기 광 전류의 흡수양상과 비교되는 단계;
를 포함하며,
상기 광의 스펙트럼 분석에는 부분적 조명이 사용되는 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
(a) preparing a first stack of transition metal-chalcogen compounds with a single atomic layer rotation angle of "0 " with a crystal orientation consistent using chemical vapor deposition;
(b) preparing a second stack of transition metal-chalcogenide compounds whose crystal orientation is inconsistent by adjusting the rotation angle using physical transfer so that the interatomic rotation angle is not "0 ";
(c) measuring an absorption and emission pattern of light between the atomic layers of each of the first and second stacks; And
(d) dynamically analyzing the absorption and emission patterns of the measured light to determine a transition band gap;
Lt; / RTI >
The step (c)
Forming an electrical contact on top of the atomic layer of the first and second stacks to measure current;
Partially focusing the light on the first stack through which the current flows, thereby confirming the absorption phase of the photocurrent; And
Analyzing a spectrum of light emitted while entering light of an energy greater than a bandgap of the first stack into the first stack, and comparing the spectra of the light with absorption patterns of the photocurrent;
/ RTI >
Wherein partial illumination is used for spectral analysis of the light. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제 10 항에 있어서,
상기 (d) 단계는
단일층간 전이 역학에 관한 초고속 시간 분할 광 펌프 프로브 분광법을 이용하여 상기 제1 및 제2 스택의 층간 전이가 관찰되는 단계; 및
상기 층간 전이로 인해 전하 재결합되는 속도를 통하여 상기 천이 밴드갭이 직접 천이 밴드갭인지 여부가 판별되는 단계;
를 포함하는 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
11. The method of claim 10,
The step (d)
Interlayer transitions of the first and second stacks are observed using ultrafast time-resolved optical pump probe spectroscopy on single interlayer transition dynamics; And
Determining whether the transition band gap is a direct transition band gap through the rate of charge recombination due to the interlayer transition;
Wherein the semiconductor stack has an interlayer orientation-based light absorption and light emission characteristics.
제 11 항에 있어서,
상기 (d) 단계에서
상기 제1 스택이
상기 전하 재결합되는 속도가 상기 제2 스택보다 높아 상기 천이 밴드갭이 직접 천이 밴드갭인 것이 판별되는 것을 특징으로 하는 층간 배향 기반 광 흡수 및 발광 특성을 가진 반도체 스택의 분석 방법.
12. The method of claim 11,
In the step (d)
The first stack
Wherein the charge recombination speed is higher than that of the second stack, and the transition band gap is determined to be a direct transition band gap.
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