KR102118608B1 - 이차원 나노물질과 더블레이어절연층 수직구조 기반 스위칭 소자 - Google Patents

이차원 나노물질과 더블레이어절연층 수직구조 기반 스위칭 소자 Download PDF

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Abstract

스위칭 소자는 제1 전극 및 이오닉 리퀴드(ionic liquid) 패턴을 포함한다. 상기 제1 전극은 그래핀을 포함한다. 상기 이오닉 리퀴드 패턴은 상기 제1 전극 상에 배치된다. 상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 리퀴드 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생된다. 발생된 누설 전류는 제 1 전극 하부에 수직방향으로 인가된 게이트 전압에 의해 제어된다.

Description

이차원 나노물질과 더블레이어절연층 수직구조 기반 스위칭 소자 {SWITCHING ELEMENT BASED ON VERTICAL STRUCTURES UTILIZING 2-DIMENSIONAL NANO-MATERIALS AND DIELECTRIC-DOUBLE LAYER}
본 발명은 스위칭 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이차원 나노물질과 더블레이어절연층 수직구조를 이용한 터널링 트랜지스터에 관한 것이다.
인공지능, 빅데이터, 사물인터넷, 클라우드 컴퓨팅으로 대표되는 4차 산업혁명의 지속적인 발전을 위해서는 반도체 소자의 성능개선을 위한 꾸준한 연구가 필요하다.
실리콘 소재보다 우수한 물리적, 전기적 성질을 갖는 그래핀을 이용한 트랜지스터 개발이 꾸준히 이슈가 되고 있지만, 그래핀은 밴드갭이 없는 구조이므로 오프 전류(off-current)를 낮추는 문제가 있어 고성능 반도체 소자 구현에 어려움이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 목적은 새로운 구조와 동작 메커니즘을 기반으로 우수한 물리적, 전기적 성질을 갖는 스위칭 소자를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 스위칭 소자는 제1 전극 및 이오닉 리퀴드(ionic liquid) 패턴을 포함한다. 상기 제1 전극은 그래핀을 포함한다. 상기 이오닉 리퀴드 패턴은 상기 제1 전극 상에 배치된다. 상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 리퀴드 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생된다. 발생된 누설 전류의 크기는 상기 제1 전극의 하부에 배치되는 산화 실리콘층 및 상기 산화 실리콘층의 하부에 배치되는 도핑 된 P형 실리콘층에 인가 된 게이트 전압(Vg)에 의해 제어된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극과 부분적으로 중첩되고, 상기 이오닉 리퀴드 패턴과 이격되는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극은 금(Au)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 이오닉 리퀴드 패턴과 부분적으로 중첩되고, 상기 제1 전극과 이격되는 제3 전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제3 전극은 백금(Pt)일 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 스위칭 소자는 제1 전극 및 이오닉 리퀴드(ionic liquid) 패턴을 포함한다. 상기 제1 전극은 이셀레늄화텅스텐(WSe2)을 포함한다. 상기 이오닉 리퀴드 패턴은 상기 제1 전극 상에 배치된다. 상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 리퀴드 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생된다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 스위칭 소자는 제1 전극 및 이오닉 리퀴드(ionic liquid) 패턴을 포함한다. 상기 제1 전극은 이황화몰리브덴(MoS2)을 포함한다. 상기 이오닉 리퀴드 패턴은 상기 제1 전극 상에 배치된다. 상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 리퀴드 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생된다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 스위칭 소자는 제1 전극 및 이오닉 겔(ionic gel) 패턴을 포함한다. 상기 제1 전극은 그래핀을 포함한다. 상기 이오닉 리퀴드 패턴은 상기 제1 전극 상에 배치된다. 상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 리퀴드 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생된다.
본 발명에 따른 스위칭 소자는 그래핀 또는 이차원 반도체 물질 및 이오닉 리퀴드 또는 이오닉 겔의 수직 구조를 갖는다. 그에 따라, 스위칭 소자는 우수한 물리적, 전기적 성질을 가질 수 있다. 상기 스위칭 소자는 필드 효과(field-effect) 기반의 센서 소자 및 로직 회로 구현을 위한 단위 소자로 활용될 수 있다. 상기 스위칭 소자는 특별한 반도체 잉크 소재 없이도 능동소자 구현이 가능하여 페이퍼 일렉트로닉스(paper electronics)의 회로 구현을 위한 능동소자로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 스위칭 소자를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 스위칭 소자를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 1의 스위칭 소자의 아웃풋 곡선(output curve)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 스위칭 소자의 트랜스퍼 곡선(transfer curve)을 나타내는 그래프이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 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 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스위칭 소자를 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 상기 스위칭 소자는 제1 전극(EL1) 및 이오닉 물질 패턴(IM)의 수직 구조를 포함한다. 상기 제1 전극(EL1) 및 상기 이오닉 물질 패턴(IM) 경계에는 더블 레이어 절연층이 형성된다.
예를 들어, 상기 제1 전극(EL1)은 그래핀을 포함할 수 있다. 이와는 달리, 상기 제1 전극(EL1)은 이차원 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(EL1)은 이셀레늄화텅스텐(WSe2)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(EL1)은 이황화몰리브덴(MoS2)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 이오닉 물질 패턴(IM)은 이오닉 리퀴드(ionic liquid) 패턴일 수 있다. 상기 이오닉 리퀴드 패턴은 상기 제1 전극(EL1) 상에 이오닉 리퀴드 물질을 떨어뜨려 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 이오닉 물질 패턴(IM)은 이오닉 겔(ionic gel) 패턴일 수 있다. 상기 이오닉 겔 패턴은 리쏘그라피 방식으로 패터닝될 수 있다. 이 때, 상기 이오닉 겔 패턴은 수백 um 사이즈로 패터닝될 수 있다.
상기 제1 전극(EL1)에 수직방향으로 게이트 전압(Vg)을 통해 전기장이 인가되면, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 게이트 전압(Vg)에 대응하는 누설 전류가 발생되어, 상기 스위칭 소자가 동작한다. 본 실시예에서, 상기 더블 레이어 절연층은 3nm보다 얇을 수 있다. 상기 더블 레이어 절연층은 3nm보다 얇게 형성되어 상기 스위칭 소자는 상기 더블 레이어 절연층을 통해 누설전류를 발생시키는 터널링 트랜지스터로 동작할 수 있다.
도 2는 도 1의 스위칭 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 스위칭 소자는 상기 제1 전극(EL1)의 하부에 배치되는 산화 실리콘층(200) 및 상기 산화 실리콘층(200)의 하부에 배치되는 도핑 된 P형 실리콘층(100)을 포함한다. 예를 들어, 상기 산화 실리콘층(200)은 SiO2를 포함할 수 있다. P형 실리콘에 게이트 전압(Vg)을 인가하면 제 1전극(EL1)에 수직방향으로 전기장이 발생하게 되고, 발생된 전기장은 누설전류의 크기를 제어한다.
상기 더블 레이어 절연층은 상기 제1 전극(EL1)과 접촉하는 상기 이오닉 물질 패턴(IM)의 제1 영역에 형성될 수 있다.
상기 스위칭 소자는 상기 제1 전극(EL1)과 중첩되는 제2 전극(EL2)을 포함한다. 상기 제2 전극(EL2)은 접지에 연결될 수 있다. 상기 제2 전극(EL2)은 소스 전극일 수 있다.
인가 전압(Vd)은 상기 이오닉 물질 패턴(IM)으로 인가될 수 있다.
도 3은 도 1의 스위칭 소자를 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 스위칭 소자의 상기 제2 전극(EL2)은 상기 제1 전극(EL1)과 부분적으로 중첩되고, 상기 이오닉 리퀴드 패턴(IM)과 이격될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(EL2)은 상기 제1 전극(EL1)과 직접 접촉할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(EL2)은 금(Au)을 포함할 수 있다.
상기 스위칭 소자는 상기 이오닉 리퀴드 패턴(IM)과 부분적으로 중첩되고, 상기 제1 전극(EL1)과 이격되는 제3 전극(EL3)을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 전극(EL3)은 백금(Pt)일 수 있다. 상기 제3 전극(EL3)은 드레인 전극일 수 있다. 또는, 상기 이오닉 리퀴드 패턴(IM) 및 상기 제3 전극(EL3)이 상기 드레인 전극일 수 있다. 이와는 달리, 상기 스위칭 소자가 상기 제3 전극(EL3)을 포함하지 않는 경우, 상기 이오닉 리퀴드 패턴(IM)이 상기 드레인 전극일 수 있다.
도 4는 도 1의 스위칭 소자의 아웃풋 곡선(output curve)을 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 제1 전극(EL1)과 상기 이오닉 물질 패턴(IM) 사이에 전압을 인가하여 더블 레이어 절연층을 통해 누설 전류가 흐르게 만들 수 있다. 외부 전기장을 상기 제1 전극(EL1) 측에 인가했을 때, 상기 누설전류의 흐름이 확연하게 변화함을 확인할 수 있다.
도 4를 보면, 상기 제1 전극(EL1)에 인가되는 Vg의 레벨이 50V, 25V, 0V, -25V, -50V로 변화함에 따라, 상기 이오닉 물질 패턴(IM)에 인가되는 인가 전압(Applied Voltage, Vd)에 따른 상기 누설전류의 곡선이 서로 다르게 나타남을 확인할 수 있다.
예를 들어, 상기 인가 전압(Applied Voltage, Vd)에 따른 상기 누설전류의 곡선은 상기 게이트 전압(Vg)이 작을수록 큰 값을 가질 수 있다. 도 4의 상부 곡선을 보면, 상기 게이트 전압(Vg)이 -50V인 파란색 곡선이 가장 높이 그려져 있고, 상기 게이트 전압(Vg)이 -25V인 빨간색 곡선이 상기 파란색 곡선보다 대체로 아래에 그려져 있고, 상기 게이트 전압(Vg)이 0V인 검정색 곡선이 상기 빨간색 곡선보다 대체로 아래에 그려져 있으며, 상기 게이트 전압(Vg)이 25V인 초록색 곡선이 상기 검정색 곡선보다 대체로 아래에 그려져 있고, 상기 게이트 전압(Vg)이 50V인 자주색 곡선이 상기 초록색 곡선보다 아래에 그려져 있다.
하나의 상기 게이트 전압(Vg)에 대해 아웃풋 곡선이 상부에 하나, 하부에 하나 그려지는 것은 상기 스위칭 소자의 히스테리시스에 의한 것으로 볼 수 있다.
도 5는 도 1의 스위칭 소자의 트랜스퍼 곡선(transfer curve)을 나타내는 그래프이다.
도 5는 상기 이오닉 물질 패턴(IM)에 인가되는 인가 전압(Applied voltage, Vd)을 10mV로 고정하고, 상기 제1 전극(EL1)에 인가되는 게이트 전압(Vg)을 변화시키면서 얻은 상기 누설전류의 트랜스퍼 곡선이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 도 5에서 가장 유의미한 트랜스퍼 곡선은 상기 게이트 전압(Vg)이 증가함에 따라 누설전류가 서서히 감소하도록 그려진 곡선일 수 있다. 상기 곡선에 따르면 상기 누설전류는 상기 게이트 전압(Vg)이 증가함에 따라 6.0*10-10으로부터 -8.0*10-10을 향해 감소하게 된다.
본 실시예에 따르면, 상기 스위칭 소자는 그래핀 또는 이차원 반도체 물질 및 이오닉 리퀴드 또는 이오닉 겔의 수직 구조를 갖는다. 그에 따라, 스위칭 소자는 우수한 물리적, 전기적 성질을 가질 수 있다. 상기 스위칭 소자는 필드 효과 기반의 센서 소자 및 로직 회로 구현을 위한 단위 소자로 활용될 수 있다. 상기 스위칭 소자는 특별한 반도체 잉크 소재 없이도 능동소자 구현이 가능하여 페이퍼 일렉트로닉스의 회로 구현을 위한 능동소자로 사용될 수 있다.
본 발명은 스위칭 소자에 관한 것으로, 스위칭 소자를 이용하는 전자제품에 널리 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.
100: P형 실리콘층 200: 산화 실리콘층
EL1: 제1 전극 EL2: 제2 전극
EL3: 제3 전극 IM: 이오닉 물질 패턴

Claims (9)

  1. 그래핀을 포함하는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극 상에 배치되는 이오닉 리퀴드(ionic liquid) 패턴을 포함하고,
    상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 리퀴드 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생되며,
    상기 제1 전극과 부분적으로 중첩되고, 상기 이오닉 리퀴드 패턴과 이격되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 하부에 배치되는 산화 실리콘층; 및
    상기 산화 실리콘층의 하부에 배치되는 도핑 된 P형 실리콘층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은 금(Au)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이오닉 리퀴드 패턴과 부분적으로 중첩되고, 상기 제1 전극과 이격되는 제3 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제3 전극은 백금(Pt)인 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
  7. 이셀레늄화텅스텐(WSe2)을 포함하는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극 상에 배치되는 이오닉 리퀴드(ionic liquid) 패턴을 포함하고,
    상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 리퀴드 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생되며,
    상기 제1 전극과 부분적으로 중첩되고, 상기 이오닉 리퀴드 패턴과 이격되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
  8. 이황화몰리브덴(MoS2)을 포함하는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극 상에 배치되는 이오닉 리퀴드(ionic liquid) 패턴을 포함하고,
    상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 리퀴드 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생되며,
    상기 제1 전극과 부분적으로 중첩되고, 상기 이오닉 리퀴드 패턴과 이격되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
  9. 그래핀을 포함하는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극 상에 배치되는 이오닉 겔(ionic gel) 패턴을 포함하고,
    상기 제1 전극에 전압이 인가되면, 상기 제1 전극과 접촉하는 상기 이오닉 겔 패턴의 제1 영역에 더블 레이어 절연층이 형성되고, 상기 더블 레이어 절연층을 통해 상기 전압에 대응하는 누설 전류가 발생되며,
    상기 제1 전극과 부분적으로 중첩되고, 상기 이오닉 겔 패턴과 이격되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 소자.
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