KR102391911B1 - 이차원 물질을 포함한 반도체 소자 - Google Patents

이차원 물질을 포함한 반도체 소자 Download PDF

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Abstract

이차원 물질을 포함한 반도체 소자가 개시된다. 일 실시예에 따른 반도체 소자는 기판, 기판 상에 형성되어 있으며 제1 영역과 이에 인접한 제2 영역을 갖는 이차원 물질층, 및 이차원 물질층의 제1 및 제2 영역과 각각 접촉하도록 형성된 소스/드레인 전극을 포함한다. 여기서, 제1 영역의 이차원 물질층의 표면에 흡착된 산소의 양인 제1 산소 흡착율과 상기 제2 영역의 이차원 물질층의 표면에 흡착된 산소의 양인 제2 산소 흡착율이 서로 다르다.

Description

이차원 물질을 포함한 반도체 소자{SEMICONDUCTOR DEVICE INCLUDING TWO-DIMENSIONAL MATERIAL}
반도체 소자, 보다 구체적으로 이차원 물질을 포함하는 반도체 소자에 관한 것이다.
이차원 물질(two-dimensional(2D) material)은 원자들이 소정의 결정 구조를 이루고 있는 단층(single-layer)의 고체로, 대표적인 이차원 물질로 그래핀(graphene)이 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 육방정계(hexagonal) 구조를 이루고 있는 단원자층 구조물이다. 그래핀은 디락 포인트(Dirac point)를 기준으로 대칭적인 밴드 구조를 가질 수 있고, 디락 포인트에서 전하의 유효 질량(effective mass)이 매우 작기 때문에, 실리콘(Si) 보다 최소 10배 이상(크게는 1000배 이상) 빠른 전하 이동도를 가질 수 있다. 또한, 그래핀은 매우 큰 페르미 속도(Fermi velocity)를 가질 수 있다. 이러한 그래핀은 기존 소자의 한계를 극복할 수 있는 차세대 소재로 주목을 받고 있는데, 이러한 그래핀에 대한 연구를 시작으로 절연성 또는 반도체 특성을 갖는 다양한 이차원 물질에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다.
이차원 물질을 포함한 반도체 소자는 적어도 이차원 물질을 이용하여 형성된 P-N 접합(junction)을 포함하는 것들이 상당히 많다. 이차원 물질의 P-N 접합의 구조 및/또는 이를 형성하는 방법으로 여러 가지가 알려져 있는데, 대표적으로 다음의 세 가지가 있다. 첫 번째는 이차원 물질층이 형성되어 있는 기판의 후면에 이중 게이팅(double gating) 구조를 형성한 상태에서 전기적 게이팅(electrical gating)을 통하여 이차원 물질층에 부분적으로 P-형(type)과 N-형(type)을 유도하여 P-N 접합을 형성하는 것이다. 두 번째는 화학적 도핑을 이용하는 방법으로서, 이차원 물질층의 일부에 P-형 또는 N-형 물질을 주입하여 P-N 접합을 구성하는 것이다. 이 경우에, 필요하다면 이차원 물질층의 다른 일부에는 N-형 또는 P-형 물질을 주입할 수도 있다. 그리고 세 번째는 P-형 물질과 N-형 물질을 접합하여 P-N 접합을 형성하는 것으로서, 양쪽 다 이차원 물질이거나 또는 한쪽은 벌크이고 나머지 한쪽은 이차원 물질일 수 있다.
하지만 이러한 기존의 이차원 물질을 이용하는 P-N 접합은 2개의 서로 다른 전압이 인가되어야 하는 복잡한 구조이거나 또는 제어 가능성이나 재현성을 확보하기 어렵거나 또는 이종의 물질을 각각 P-형 물질과 N-형 물질로 사용하여 계면 문제(interface issue)가 야기될 수 있다.
구조가 간단하고 계면 문제(interface issue)가 없는 이차원 물질을 포함한 반도체 소자를 제공한다.
우수한 전기적/물리적 특성을 가지며 계면 문제가 생기지 않는 이차원 물질을 포함한 반도체 소자를 제공한다.
가역적(reversible) P-N 다이오드 특성을 보여주는 이차원 물질을 포함한 반도체 소자를 제공한다.
일 실시예에 따른 반도체 소자는 기판, 이차원 물질층, 및 소스/드레인 전극을 포함한다. 이차원 물질층은 기판 상에 형성되어 있으며 제1 영역과 이에 인접한 제2 영역을 가지며, 소스/드레인 전극은 이러한 이차원 물질층의 제1 및 제2 영역과 각각 접촉하도록 형성되어 있다. 그리고 이차원 물질층, 보다 구체적으로 제2 영역의 이차원 물질층은 표면에 산소가 흡착된 산소 흡착 물질층을 포함한다.
다른 실시예에 따른 반도체 소자는 다층 구조체를 포함하는데, 이차원 물질로 이루어져 있으며, 제1 영역과 제2 영역을 가지되 상기 제2 영역의 이차원 물질의 표면에는 산소가 흡착된 산소 흡착 물질층을 포함하는 반도체층 및 상기 반도체층의 적어도 일면에 구비된 하나 이상의 비반도체층을 포함한다. 반도체 소자는 반도체 소자는 터널링 소자이거나 BJT(Binary Junction Transistor)이거나 배리스터(barrister)이거나 FET(Field Effect Transistor)일 수도 있다.
또 다른 실시예에 따른 반도체 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성되어 있으며 제1 영역과 이에 인접한 제2 영역을 갖는 이차원 물질층 및 상기 이차원 물질층의 제1 및 제2 영역과 각각 접촉하도록 형성된 소스/드레인 전극을 포함한다. 그리고 상기 제1 영역의 이차원 물질층의 표면에 흡착된 산소의 양인 제1 산소 흡착율과 상기 제2 영역의 이차원 물질층의 표면에 흡착된 산소의 양인 제2 산소 흡착율이 서로 다르다.
이차원 물질층의 표면에 흡착되는 산소의 양을 조절함으로써 반도체층의 도핑 레벨을 제어할 수가 있다. 따라서 이러한 반도체층을 이용하는 P-N 접합을 구비하는 반도체 소자는 그 구조가 간단할 뿐만 아니라 단일의 이차원 물질로 반도체층이 형성되므로 계면 문제(interface issue)가 없다. 아울러, 흡착된 산소를 이탈시키면 그 전기적 특성이 다시 원래의 상태로 복원되므로, 가역적(reversible) P-N 다이오드 특성을 보여준다.
도 1은 일 실시예에 따른 이차원 물질을 포함하는 반도체 소자의 일례를 보여 주는 단면도이다.
도 2a는 주변 환경에 따른 MoS2의 일함수 변화를 보여 주는 그래프이다.
도 2b는 주변 환경에서의 O2의 농도 변화에 따른 전류-전압(IV) 특성 그래프이다.
도 2c는 도 2b의 전류-전압(IV) 특성 그래프의 에너지 레벨 그래프이다.
도 3은 MoS2로 형성된 이차원 물질층의 표면에서 부착되는 산소의 흡착율 변화에 따른 일함수의 변화를 보여 주는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 다이오드를 형성하는 방법을 순차적으로 보여 주는 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5d를 도 1의 다이오드의 전기적 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 6은 도 1의 다이오드를 구성하는 이차원 물질층(14)에 대한 광전류(photo current)를 매핑하여 보여 주는 도면이다.
도 7은 터널링 소자(tunneling device)의 일례를 도식적으로 보여주는 구성도이다.
도 8은 BJT(binary junction transistor)의 일례를 도식적으로 보여주는 구성도이다.
도 9는 배리어 트랜지스터(barrier transistor의 일부를 도식적으로 보여 주는 구성도이다.
도 10은 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)의 일부를 도식적으로 보여주는 구성도이다
이하 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면은 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 그리고 이러한 예시에 기초하여 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 통상의 기술자에게는 당연할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어 및 단어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 후술하는 실시예들에서 사용된 용어는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 통상의 기술자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다. 마지막으로, 본 명세서에서 제1 물질층이 제2 물질층 상(on)에 형성된다고 할 경우에, 그것은 제1 물질층이 제2 물질층 바로 위(directly on)에 형성되는 경우는 물론, 명시적으로 이를 배제하는 기재가 없는 경우에는 다른 제3 물질층이 제1 물질층과 제2 물질층 상이에 개재되어 있는 것(upper)도 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이차원 물질을 포함하는 반도체 소자의 일례를 보여 주는 단면도이다. 도 1에는 반도체 소자로서 다이오드(diode)의 일례가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 다이오드는 기판(substrate, 12), 이차원 물질층(2D material layer, 14), 소스/드레인 전극(source/drain electrode, 16), 및 패시베이션층(passivation layer, 18)을 포함한다.
기판(12)은 반도체 기판(semiconductor substrate, 12a) 및 유전막(dielectric layer, 12b)을 포함할 수 있다. 반도체 기판(12a)은 단결정 또는 다결정 반도체 물질로 형성되거나 및/또는 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(12a)은 실리콘(Si) 기판일 수 있는데, 여기에만 한정되는 것은 아니다. 그리고 반도체 기판(12a)이 실리콘(Si)으로 형성될 경우에, 유전막(12b)은 산화 실리콘(SiO) 등과 같은 반도체 물질의 산화물이나 질화 실리콘(SiN) 등과 같은 질화물로 형성될 수 있다. 이러한 기판(12)과 유전막(13)의 구성 및 재질(예컨대, Si/SiO2)은 예시적인 것이며, 당업계에서 사용하는 다른 구성이나 물질이 반도체 기판(12a)과 유전막(12b)으로 사용될 수도 있다. 이와는 달리, 기판(12)은 전체가 절연성 물질로 형성될 수 있으며, 이 경우에 유전막(12b)은 구비되지 않을 수도 있다.
기판(12) 상에, 보다 구체적으로는 유전막(12b)의 바로 위에는 이차원 물질층(14)이 구비되어 있다. 이차원 물질층(14)은 문자 그대로 이차원 물질(two-dimensional(2D) material)로 형성된 단층의 레이어이다. 전술한 바와 같이, 이차원 물질은 원자들이 소정의 결정 구조를 이루고 있는 단층(single-layer)의 고체로서, 그래핀이 대표적인 물질이다.
이차원 물질층(14)은 제1 영역(14a)과 이에 인접한 제2 영역(14b)을 갖는다. 제1 영역(14a)의 이차원 물질층(14)(이하, '제1 이차원 물질층'이라 한다)은 그 표면에 어떠한 기체나 불순물도 흡착이 되지 않은 순수 이차원 물질로만 구성된 레이어이다. 예컨대, 제1 이차원 물질층은 상당한 수준의 진공(예컨대, 10-6 Torr 이하) 상태에서 형성되어서 대기 중에 노출되기 이전에 패시베이션층(18)으로 커버된 이차원 물질층(14)의 부분일 수 있다. 반면, 제2 영역(14b)의 이차원 물질층(14)(이하, '제2 이차원 물질층'이라 한다)은 이차원 물질의 레이어의 표면에 산소(O2)가 흡착되어 있는 상태이다(본 명세서에서는 도면에서 흡착된 산소(O2)가 다소 과장되어 도시되어 있는데, 이것은 단지 설명 및 이해의 편의를 위하여 도식적으로 도시한 것이다). 본 명세서에서는 제2 이차원 물질층과 같이 그 표면에 산소가 흡착되어 있는 부분을 '산소 흡착 물질층'이라고 칭하기로 한다.
이러한 이차원 물질층(14)을 형성하는 이차원 물질은 금속 칼코게나이드계 물질일 수 있다. 일례로, 금속 칼코게나이드계 물질 중 적어도 하나는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함하고, MX2로 표현되는 전이금속 칼코게나이드 물질일 수 있다(여기서, M은 전이금속을 가리키고, X는 칼코겐 원소를 가리킨다). 이에 의하면, 전이금속 칼코게나이드 물질은, 예컨대, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2 등일 수 있다. 이와 달리, 전이금속 칼코게나이드계 물질은 MX2로 표현되지 않을 수도 있는데, 일례로 전이금속인 Cu와 칼코겐 원소인 S의 화합물(전이금속 칼코게나이드 물질)은 CuS로 표현될 수도 있다. CuS도 이차원 물질일 수 있으므로, 전이금속 칼코게나이드계 물질로 적용될 수 있다.
다른 예로, 금속 칼코게나이드계 물질은 비전이금속(non-transition metal)을 포함하는 비전이금속 칼코게나이드 물질일 수도 있다. 비전이금속은, 예컨대, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등일 수 있다. 즉, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등의 비전이금속과 S, Se, Te와 같은 칼코겐 원소의 화합물이 비전이금속 칼코게나이드계 물질로 사용될 수 있다. 이에 의하면, 비전이금속 칼코게나이드 물질은, 예컨대, SnSe2, GaS, GaSe, GaTe, GeSe, In2Se3, InSnS2 등일 수 있다.
여기서, 제1 이차원 물질층과 제2 이차원 물질층을 형성하는 이차원 물질의 종류는 동일하다. 즉, 제1 및 제2 이차원 물질층(14)은 전체가 동일한 이차원 물질로 형성된다. 그리고 이차원 물질층(14)은 "반도체" 특성을 갖는 물질일 수 있다. 예를 들어, 이차원 물질층(14), 보다 구체적으로 표면에 산소가 흡착되지 않은 제1 이차원 물질층은 본질적으로(intrinsically) p형 반도체이거나 또는 n형 반도체일 수 있다. 그리고 산소 흡착 물질층인 제2 이차원 물질층은 제1 이차원 물질층과는 반대인 n형 반도체이거나 또는 p형 반도체일 수 있다.
이를 위하여, 이차원 물질층(14)은 그 표면에 산소가 흡착된 경우에 산소가 흡착되지 않은 경우와 비교하여 일함수(work function)의 차이가 소정의 값 이상이 되는 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 즉, 이차원 물질층(14)은 그 표면에 산소가 흡착되면 일함수가 소정의 값 이상으로 변하는 특성을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 여기서, 소정의 값은 반도체 소자에 요구되는 전기적 특성에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 반도체 소자가 다이오드인 경우에, 제2 이차원 물질층의 일함수는 제1 이차원 물질층의 일함수와 비교하여 0.3eV 이상 차이가 나는 특성을 갖는 이차원 물질로 이차원 물질층(14)이 형성될 수 있다. 산소의 흡착에 따라서 초래되는 이차원 물질층(14)의 일함수 변화는 포지티브인 경우는 물론 네가티브인 경우에도 본 실시예가 적용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다.
일 실시예에 의하면, 이차원 물질층(14)은 전이금속 칼코계나이드 물질의 하나인 MoS2로 형성될 수 있다. 여기서, MoS2는 그 표면에 산소가 흡착됨에 따라서 일함수의 값이 변화하는 이차원 물질의 대표적인 예이다. 그리고 후술하는 바와 같이, MoS2는 흡착된 산소가 이탈됨에 따라서 일함수의 값이 원래대로 복원한다. 즉, MoS2의 일함수는 산소의 흡착과 이탈에 따라서 가역적인 특성을 갖는다. 이하, MoS2로 형성된 이차원 물질층(14)의 구체적인 물리적 특성에 대하여 실험 결과를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2a는 주변 환경에 따른 MoS2의 일함수 변화를 보여 주는 그래프이다. 도 2a 도시된 일함수 변화는 p형 실리콘 기판 상에 단층 MoS2를 형성한 다음 3mm 지름을 갖는 팁(tip)이 구비된 켈빈 프로브(Kelvin Probe)를 이용하여 전기적으로 MoS2의 일함수를 측정한 것이다. 켈빈 프로브는 설정(set-up)에서 압력별(대기 환경(ambient) 또는 고진공(hagh vacuum)) 또는 가스 분위기별로 인-시츄(in-situ)로 일함수를 측정하는 것이 가능하다.
도 2a를 참조하면, 대기 환경에서 MoS2의 일함수는 약 4.36eV로 측정되었다(시간 0~7분). 그리고 켈빈 프로브의 챔버 내부에 있는 공기를 강제로 배기(pumping out)하여 내부를 고진공(약 10-9 Torr) 상태로 변화시켰을 경우에, 일함수는 약 4.1eV가 되었다(시간 8~90분). 계속해서 약 400℃의 온도에서 2시간 정도 어닐링(annealing) 공정을 수행한 경우에, 일함수는 다시 4.35eV가 되어서 초기 상태로 복원되었다(시간 90~221분). 계속해서 챔버 내부로 산소(O2)를 주입하면 일함수는 4.53eV까지 증가한다(시간 290분~).
이에 의하면, MoS2는 대기 중에서 일함수가 약 4.36eV이고 고진공 환경에서는 약 4.1eV가 된다는 것을 알 수 있다. 그리고 고진공 상태에서 다시 산소가 흡착되면 MoS2의 일함수는 원래대로 복원하고 또한 주변 환경에서 산소의 농도가 증가하여 흡착되는 산소가 많아질수록 MoS2의 일함수도 약 4.53eV까지 증가한다는 것을 알 수 있다. 그리고 이러한 MoS2의 일함수를 변화시키는 주된 요인이 산소(O2)라는 것을 알 수 있다. 실제로 도 2a의 그래프를 얻은 것과 동일한 환경 및 공정에서 단지 산소 대신에 질소를 주입한 경우에는 MoS2의 일함수가 전혀 변화가 없다는 것이 실제로 실험 결과를 통하여 확인되었다.
도 2b 및 도 2c는 각각 주변 환경에서의 O2의 농도 변화에 따른 전류-전압(IV) 특성 그래프와 이의 에너지 레벨 그래프이다. 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 대기(Air) 중에서는 MoS2 백게이트 트랜지스터(back gate transistor)의 임계 전압(threshold voltage, Vth)이 -15V로 n형의 특성을 보였으며, 저진공(Low Vacuum)에서 고진공(High Vacuum)으로 갈수록 임계 전압이 점점 더 네가티브쪽으로 커진다는 것을 알 수 있다. 반대로 고진공 상태에서 챔버 내부에 다시 산소 가스를 흘려 주었을 경우에는 임계 전압은 반대로 포지티브쪽으로 이동한다는 것을 알 수 있다.
이에 의하면, MoS2의 표면에 산소가 흡착되거나 또는 이탈되면 반도체 특성도 각각 네가티브 또는 포지티브 방향으로 변화되는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로, MoS2의 표면에 산소가 흡착되면 이차원 물질층은 p형 반도체쪽으로, 반대로 MoS2의 표면으로부터 산소가 이탈되면 n형 반도체쪽으로 도핑 레벨(doping level)이 변화된다는 것을 알 수 있다. 보다 정확히 표현하면, MoS2로 형성된 이차원 물질층에 산소가 흡착되면 n-형 반도체가 되고 또한 이차원 물질층으로부터 산소가 이탈되어서 순수 MoS2가 되면 n++형 반도체가 된다.
따라서 MoS와 같은 이차원 물질층의 표면에 부착 또는 흡착되는 산소의 양 또는 흡착율(absorption rate)을 조절함으로써 이의 전기적 특성, 예컨대 도핑 레벨을 제어할 수 있다. 그리고 도 1에 도시된 것과 같이, 이차원 물질층(14)에서 제1 영역(14a)에는 산소가 흡착되지 않고 이에 인접한 제2 영역(14b)에는 산소가 흡착되면, 제1 이차원 물질층과 제2 이차원 물질층의 도핑 레벨이 달라지게 되므로 이차원 물질층(14)은 결국 P-N 접합 다이오드 등과 같은 반도체 소자로 활용될 수 있다.
도 3은 MoS로 형성된 이차원 물질층의 표면에서 부착되는 산소의 흡착율 변화에 따른 일함수의 변화를 보여 주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 산소 흡착율(O2 absorption rate) 또는 산소 커버리지(O2 coverage)가 0%에서 100%까지 변화할 때 일함수는 최대 1.2eV까지 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, 산소 흡착율이 100%인 경우의 MoS2의 일함수는 산소 흡착율이 0%인 순수(intrinsic) MoS2의 일함수보다 1.2eV 더 크다. 이것은 MoS2로 형성된 이차원 물질층의 표면에 의도적으로 산소 가스를 흡착시킬 수 있으면 이차원 물질층의 일함수 변화를 유발시킬 수 있으며, 또한 흡착되는 산소 가스의 양을 증가시킴으로써 일함수 변화를 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다. 그리고 산소 흡착율이 약 2%인 경우의 MoS2의 일함수는 산소 흡착율이 0%인 순수(intrinsic) MoS2의 일함수보다 약 0.3eV 더 크다.
계속해서 도 1을 참조하면, 다이오드는 소스/드레인 전극(16)을 포함한다. 본 실시예에서 소스/드레인 전극(16)으로 사용되는 도전성 물질의 종류에 특별한 제한이 없으며, 당업계에서 통상적으로 사용되는 모든 도전성 물질이 사용될 수 있다. 그리고 소스/드레인 전극(16)은 각 전극을 동일한 물질로 형성하여 대칭적(symmetric) 구성이 되도록 하거나 또는 각 전극을 서로 다른 물질(예컨대, 하나는 Cr/Au로 형성하고 다른 하나는 Pd)로 형성하여 비대칭적(asymmetric) 구성이 되도록 할 수도 있다. 후자의 경우와 같이, 비대칭적 구성의 소스/드레인 전극(16)을 사용하면, P-N 다이오드 형성시에 정류(rectification) 현상을 개선할 수 있다. 그리고 실험 결과, 비대칭적 구성으로 소스/드레인 전극(16)을 형성한 경우에도, 진공 상태에서 측정된 소스-드레인 사이의 IV 특성은 선형적인 특성이 관찰되었다.
패시베이션층(18)은 제1 영역(14a)에 형성되어 있는 이차원 물질층(14)의 표면에 산소가 흡착되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 특히, 패시베이션층(18)은 이차원 물질층(14)의 제2 영역(14b), 즉 제2 이차원 물질층의 표면에 산소를 흡착시키는 공정에서 산소가 이차원 물질층(14)의 제1 영역(14a), 즉 제1 이차원 물질층의 표면에 흡착되는 것을 방지한다. 따라서 패시베이션층(18)은 적어도 이차원 물질층(14)의 제1 영역(14a), 즉 제1 이차원 물질층의 표면을 덮도록 형성된다. 그리고 패시베이션층(18)은 제2 이차원 물질층의 표면은 덮지 않도록 형성된다.
패시베이션층(18)은 이와 같이 그 하부에 있는 물질층에 산소가 흡착되는 것을 방지하는 기능을 수행하므로, 내부로 산소가 침투하는 것을 효율적으로 방지할 수 있는 조밀한 막질을 갖는 절연물질로 형성될 수 있다. 일례로, 패시베이션층(18)은 산화알루미늄(Al2O3)로 형성될 수 있는데, 이것은 단지 예시적인 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 도 1의 다이오드를 형성하는 방법을 순차적으로 보여 주는 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 기판(12)을 준비한다. 일례로, 실리콘 등과 같은 반도체 기판(12a)의 상면에 유전막(12b)을 형성하여 기판(12)을 준비할 수 있다. 유전막(12b)은 열산화 공정이나 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)과 같은 이 분야의 통상의 공정을 사용하여 형성할 수 있다. 그리고 기판(12) 상에 이차원 물질층(14)을 형성한다. 본 실시예에서는 이차원 물질층(14)을 형성하는 구체적인 방법도 특별한 제한이 없는데, 전사(transfer) 등과 같은 통상적인 방법이 사용될 수 있다.
그리고 도 4b를 참조하면, 이차원 물질층(14)의 양 단부와 접촉하도록 소스/드레인 전극(16)을 형성한다. 소스/드레인 전극(16)의 형성 공정은 진공 분위기에서 수행할 수 있으며, 스퍼터(sputter) 공정 등과 같은 도전성 패턴을 형성하는 통상적인 반도체 공정이 사용될 수 있다.
계속해서 도 4c를 참조하면, 이차원 물질층(14)의 일부, 보다 구체적으로는 이차원 물질층(14)의 제1 영역(14a, 도 1 참조)을 덮도록 패시베이션층(18)을 형성한다. 전술한 바와 같이, 패시베이션층(18)은 산화알루미늄 등과 같은 절연성 물질로 형성될 수 있다. 그리고 이차원 물질층(14)의 제2 영역(14b, 도 1 참조)에 산소(O2)가 흡착되도록 한다. 예를 들어, 도 4c의 결과물을 대기 분위기에 노출시키거나 열산화 공정, 및/또는 챔버 내부에 추가로 산소를 공급하는 등의 방법으로 노출된 이차원 물질층(14), 즉 이차원 물질층(14)의 제2 영역(14b, 도 1 참조)에 산소가 흡착되도록 할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d를 도 1의 다이오드의 전기적 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
우선, 도 5a는 도 1의 다이오드에서 패시베이션층(18)을 형성하기 이전에 MoS로 형성된 이차원 물질층(14)에 대하여 측정한 IV 그래프이다(도 4b 참조). 따라서 도 5a의 IV 그래프는 이차원 물질층(14)의 어디에도 산소가 흡착되지 않은 상태에 대한 것이다. 도 5a를 참조하면, 표면의 어디에도 산소가 흡착되지 않은 이차원 물질층(14)은 단순한 저항 소자로서의 특성을 보여 준다.
그리고 도 5b 및 도 5c는 각각 도 1의 다이오드에서 패시베이션층(18)을 형성한 이후에 MoS로 형성된 이차원 물질층(14) 대하여 측정한 에너지 레벨 그래프 및 IV 그래프이다(도 4c 참조). 즉, 도 5b 및 도 5c의 그래프는 이차원 물질층(14)의 일부에는 산소가 흡착되어 있지 않지만 나머지 일부에는 산소가 흡착되어 있는 상태에 대한 것이다. 예를 들어, 도 5a의 특성을 보여 주는 소자에 대하여 이차원 물질층의 일부만 패시베이션한 상태에서 공기 중에 노출시킴으로써 나머지 일부의 이차원 물질층에 산소가 흡착되도록 할 수 있다.
이 경우에 패시베이션이 된 이차원 물질층의 부분은 N-형(n++), 노출된 이차원 물질층의 부분은 p-형(n)이 유도되어 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 전형적인 P-N 접합 다이오드의 특성을 보여 준다(도 5b 및 도 5c 참조). 그리고 다이오드의 특성(quality)를 알려주는 이상 계수(ideality factor)도 1을 보여 고품질(high quality)의 P-N 접합 다이오드가 단순히 산소의 흡착과 이탈만으로 형성될 수 있음을 알 수 있다.
도 5d는 도 1의 다이오드를 진공 분위기에 두었을 경우의 MoS로 형성된 이차원 물질층(14)에 대하여 측정한 IV 그래프이다. 따라서 도 5d의 IV 그래프는 이차원 물질층(14)의 표면에 흡착되었던 산소가 이탈되어 그 표면의 어디에도 산소가 흡착되지 않은 상태로 복원된 소자에 대한 것이다. 도 5d를 참조하면, 흡착된 산소가 이탈되어 표면의 어디에도 산소가 흡착되지 않은 상태로 복원된 이차원 물질층(14)은 단순한 저항 소자로 되돌아 가는 것을 알 수 있다. 이러한 도 1의 다이오드의 가역적 특성을 활용하면, 하나의 소자(예컨대, 도 1의 반도체 소자)를 가지고 저항 소자 트랜지스터(진공 중)로 사용하거나 또는 다이오드로 사용자의 용도에 따라서 선택해서 사용할 수 있다. 또한, 산소의 흡착에 따라서 전기적 특성이 가역적인 변화를 보이므로, 산소 센서로서도 활용될 가능성이 있다.
도 6은 도 1의 다이오드를 구성하는 이차원 물질층(14)에 대한 광전류(photo current)를 매핑하여 보여 주는 도면이다. 도 6에서 Cr/Au와 Pd를 소스/드레인 전극을, Al2O3는 패시베이션층을 나타낸다. 도 6의 도면은 1㎛로 포커스된 487nm 레이저를 이차원 물질층(14)의 위치별로 조사한 경우에 생성되는 광전류를 매핑하여 보여주고 있다. 도 6을 참조하면, P-N 접합이 형성되는 지점, 즉 점선 화살표로 표시된 위치로서 Al2O3로 형성된 패시베이션층의 가장자리에서 광전류가 피크가 형성된다는 것을 알 수 있다. 이것은 MoS2의 이차원 물질층 표면에 산소 탈부착을 이용하여 이차원 물질층의 일함수 조절(work function modulation)이 가능하다는 보여 주는 다른 실험예이다. 아울러, 도 6의 특성을 활용하면, 도 1의 구성을 갖는 P-N 접합 다이오드는 광 검출기(photo detector)나 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)로 사용될 수도 있다.
이와 같이, 전술한 실시예에 따른 다이오드에 구비되는 이차원 물질층의 P-N 접합의 구성, 즉 이차원 물질층에 흡착되는 산소의 농도를 다르게 하여 얻어지는 P-N 접합의 구성 및/또는 표면에 흡착되는 산소의 농도를 조절하여 도핑 레벨을 조절할 수 있는 기술적 구성은 다양한 반도체 소자(전자 소자)에 여러 가지 목적으로 적용될 수 있다. 예컨대, P-N 접합은 다이오드(diode)는 물론 태양전지(solar cell), 광검출기(photodetector), 트랜지스터(transistor), 터널링 소자(tunneling device), 메모리 소자(memory device), 논리 소자(logic device), 발광 소자(light emitting device), 에너지 저장소자(energy storage device), 디스플레이 소자(display device) 등 다양한 소자에 적용될 수 있다. 여기서, 트랜지스터는 FET(field effect transistor), TFT(thin film transistor), BJT(binary junction transistor), 배리어 트랜지스터(barrier transistor)(즉, barristor) 등 다양한 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 적어도 산소의 흡착율이 다른 두 개의 영역을 포함하는 이차원 물질층은 P-N 접합을 이용하는 소자이면 어느 소자이든 적용될 수 있고, 기존의 Si 이용 소자의 Si 대신 적용될 수 있으며, 적층형 소자(stackable device), 플렉서블 소자(flexible device) 및 투명 소자(transparent device) 등에 적용될 수 있다. 그리고 이차원 물질층은 이차원 물질로 구성되기 때문에, 플렉서블(flexible)할 수 있고, 매우 얇은 두께를 가지기 때문에, 투명한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 물질은 적층형 소자, 플렉서블 소자 및 투명 소자 등에 유용하게/유리하게 적용될 수 있다.
이러한 이차원 물질층을 포함하는 반도체 소자는 다층 구조체일 수 있다. 보다 구체적으로, 반도체 소자는 그 표면에서의 산소 흡착율(0~100%)이 다른 두 개의 영역을 포함하는 이차원 물질층을 포함하는 반도체층 및 이 반도체층의 적어도 일면에 구비된 적어도 하나의 비반도체층을 포함할 수 있다. 여기서, 반도체층은 이차원 물질층으로만 구성되거나 다른 반도체층을 추가로 구비할 수도 있다.
그리고 적어도 하나의 비반도체층은 적어도 하나의 도전층 및/또는 적어도 하나의 절연층을 포함할 수 있다. 도전층은 도전성 이차원 물질층을 포함할 수 있고, 절연층은 절연성 이차원 물질층을 포함할 수 있다. 예컨대, 도전성 이차원 물질층은 그래핀(graphene) 등을 포함할 수 있고, 절연성 이차원 물질층은 h-BN(hexagonal boron nitride) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 비반도체층은 이차원 물질이 아닐 수도 있다. 일반적인 반도체 공정에서 사용하는 다양한 절연 물질 및 도전 물질을 비반도체층에 적용할 수 있다. 절연 물질은 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 질화물, 실리콘 질화물보다 유전상수가 큰 고유전 물질(알루미늄 산화물, 하프늄 산화물 등), 절연성 유기물(폴리머) 등을 포함할 수 있다. 도전 물질은 Ti, Al, Cr, Au, Ni, Pt 등의 금속이나, 금속화합물, 도전성 유기물(폴리머) 등을 포함할 수 있다. 만약, 비반도체층을 이차원 물질로 형성하면, 반도체 소자의 주요 구성요소들이 모두 이차원 물질로 구성될 수 있으므로, 소자의 소형화 및 고집적화 등에 유리할 수 있다. 또한, 플렉서블 소자 및 투명 소자 등의 구현이 가능할 수 있다.
이하에서는 도 7 내지 도 10을 참조하여, 그 표면에서의 산소 흡착율(0~100%)이 다른 적어도 두 개의 영역을 포함하는 이차원 물질층을 포함하는 다양한 반도체 소자를 예시적으로 설명한다.
도 7은 이러한 반도체 소자의 일례로서 터널링 소자(tunneling device)의 일례를 보여주는 구성도이다. 도 7을 참조하면, 터널링 소자는 그 표면에서의 산소 흡착율(0~100%)이 다른 두 개의 영역을 포함하는 이차원 물질층(22), 이차원 물질층(22)의 제1면(예컨대, 하면)에 구비된 제1 도전층(21), 이차원 물질층(22)의 제2면(예컨대, 상면)에 구비된 제2 도전층(23), 제2 도전층(23) 상에 구비된 절연층(24), 및 절연층(24) 상에 구비된 제3 도전층(25)을 포함한다. 도 7에서 이차원 물질층(22)은 NP 구조(즉, 좌측 영역에서의 산소 흡착율은 0%이고 우측 영역에서만 소정 흡착율의 산소가 흡착되어 있음)인 것으로 도시되어 있으나 이것은 예시적인 것이며, 이차원 물질층(22)은 PN, PNP, NPN 구조 등을 갖거나 또는 밴드갭이 서로 다른 복수의 영역을 가질 수 있다. 그리고 터널링 소자로서의 반도체 소자는 이차원 물질층(22)은 터널링층(tunneling layer)이며, 제1 도전층(21)은 드레인 전극, 제2 도전층(23)은 소오스 전극, 제3 도전층(25)은 게이트 전극이고, 절연층(24)은 게이트 절연층일 수 있다. 제3 도전층(25)에 의해 이차원 물질층(22)의 전기적 특성 또는 제2 도전층(23)과 이차원 물질층(22) 사이 계면의 전기적 특성이 제어될 수 있다. 이차원 물질층(22)을 통한 전하의 터널링에 의해 제1 및 제2 도전층(21, 23) 사이에 전류가 흐를 수 있다.
도 7에서 제1 내지 제3 도전층(21, 23, 25)은 도전성 이차원 물질로 형성되거나, 이차원 물질이 아닌 일반적인 도전 물질로 형성될 수 있다. 특히, 제2 도전층(23)은 그래핀과 같은 도전성 이차원 물질로 형성될 수 있다. 또한, 절연층(24)은 h-BN(hexagonal boron nitride)과 같은 절연성 이차원 물질로 형성되거나, 이차원 물질이 아닌 일반적인 절연 물질로 형성될 수 있다.
도 8은 이러한 반도체 소자의 다른 예로서 BJT(binary junction transistor)의 일례를 보여준다. 도 8을 참조하면, BJT 트랜지스터는 그 표면에서의 산소 흡착율(0~100%)이 다른 두 개의 영역을 포함하는 이차원 물질층(33), 이차원 물질층(33)의 상하면에 구비된 제1 및 제2 절연층(32, 34), 제1 절연층(32)을 사이에 두고 이차원 물질층(33)에 대향하도록 구비된 제1 도전층(31), 및 제2 절연층(34)을 사이에 두고 이차원 물질층(33)에 대향하도록 구비된 제2 도전층(35)을 포함한다. 도 8에서도 이차원 물질층(33)은 NP 구조인 것으로 도시되어 있으나 이것은 예시적인 것이며, 이차원 물질층(33)은 PN, PNP, NPN 구조 등을 갖거나 또는 밴드갭이 서로 다른 복수의 영역을 가질 수 있다. 그리고 BJT로서의 반도체 소자는 이차원 물질층(33)은 터널링층(tunneling layer)이거나 베이스(base)일 수 있다. 제1 도전층(31)은 이미터(emitter)일 수 있고, 제2 도전층(35)은 콜렉터(collector)일 수 있는데, 이미터와 콜렉터는 전극 요소일 수 있다. 제1 절연층(32)은 제1 배리어층(barrier layer)이고 또한 제2 절연층(34)은 제2 배리어층일 수 있다. 제1 절연층(32)은 터널링 배리어층일 수 있고, 제2 절연층(34)은 필터링 배리어층일 수 있다.
도 9는 이러한 반도체 소자의 또 다른 예로서 배리어 트랜지스터(barrier transistor)(즉, barristor)의 일부를 예시적으로 보여 준다. 도 9를 참조하면, 배리어 트랜지스터는 그 표면에서의 산소 흡착율(0~100%)이 다른 두 개의 영역을 포함하는 이차원 물질층(44), 이차원 물질층(44)에 접촉되도록 구비된 제1 도전층(43), 제1 도전층(CL12)과 이격되어 구비된 제2 도전층(41), 및 제1 도전층(43)과 제2 도전층(41) 사이에 구비된 절연층(42)을 포함한다. 도시하지는 않았지만, 반도체층(44)에 접촉된 소오스 전극 및 드레인 전극이 더 구비될 수 있다. 여기서, 제1 도전층(43)이 그래핀으로 형성된 경우, 본 실시예의 반도체 소자는 그래핀 배리스터(graphene barristor)라고 할 수 있다.
본 실시예에서 이차원 물질층(44)은 채널층의 역할을 하며, 제1 도전층(43)은 이차원 물질층(43)과의 계면에서 쇼트키 배리어(Schottky barrier)를 형성하는 역할을 할 수 있다. 그리고 절연층(42)은 게이트 절연층일 수 있고, 제2 도전층(41)은 게이트 전극일 수 있다. 제2 도전층(41)에 인가된 전압에 따라, 쇼트키 배리어의 높이가 조절될 수 있으며, 이에 따라서 배리어 트랜지스터의 온/오프(ON/OFF)가 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 쇼트키 배리어의 높이가 낮을 때, 소오스 전극과 드레인 전극을 통해 전류가 흐를 수 있고, 쇼트키 배리어의 높이가 높을 때, 전류의 흐름이 차단될 수 있다.
도 10은 이러한 반도체 소자의 또 다른 예로서 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)의 일부를 예시적으로 보여 준다. 광 검출기도 도 10에 도시된 반도체 소자와 유사한 구조를 가질 수 있다. 도 10을 참조하면, FET는 그 표면에서의 산소 흡착율(0~100%)이 다른 두 개의 영역을 포함하는 이차원 물질층(53), 이차원 물질층(53)의 일면, 예컨대 하면에 구비된 절연층(52), 절연층(52)을 사이에 두고 이차원 물질층(53)과 대향하도록 배치된 제1 도전층(51), 및 이차원 물질층(53)의 다른 면, 예컨대 상면에 서로 이격되도록 배치된 제2 및 제3 도전층(54)을 포함한다.
본 실시예에서 이차원 물질층(53)은 채널층으로서의 역할을 하며, 예를 들어 PNP 구조 또는 NPN 구조를 가질 수 있다. 절연층(52)은 게이트 절연층일 수 있고, 제1 도전층(51)은 게이트 전극일 수 있다. 그리고 제2 및 제3 도전층(54)은 각각 소오스 전극 및 드레인 전극일 수 있다. 이차원 물질층(53)이 PNP 구조를 갖는 경우에, 제2 및 제3 도전층(54)은 이차원 물질층(53)의 P-영역에 접촉될 수 있으며, 이와는 달리 이차원 물질층(CL13)이 NPN 구조를 갖는 경우에 제2 및 제3 도전층(54)은 이차원 물질층(53)의 N-영역에 접촉될 수 있다. 한편, 도 10의 반도체 소자 광검출기(photodetector)로 사용되는 경우에 이차원 물질층(53)은 광활성층(photoactive layer)일 수 있다.
이상의 설명은 실시예에 불과할 뿐, 이에 의하여 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 기술 사상은 특허청구범위에 기재된 발명에 의해서만 특정되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 따라서 전술한 실시예가 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다는 것은 통상의 기술자에게 자명하다.
12: 기판
14: 이차원 물질층
16: 소스/드레인 전극
18: 패시베이션층

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 있으며 제1 영역과 이에 인접한 제2 영역을 갖는 이차원 물질층;
    상기 이차원 물질층의 제1 및 제2 영역과 각각 접촉하도록 형성된 소스/드레인 전극; 및
    상기 이차원 물질층의 제 1영역을 덮도록 형성된 패시베이션 층을 포함하되,
    상기 제2 영역의 이차원 물질층은 표면에 산소가 흡착된 산소 흡착 물질층을 포함하는 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산소 흡착 물질층의 일함수(work function)는 상기 제1 영역의 이차원 물질층의 일함수와 비교하여 0.3eV 이상 차이가 나는 반도체 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이차원 물질층은 MoS2로 형성된 반도체 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 산소 흡착 물질층은 상기 제2 영역의 이차원 물질층의 표면에서의 산소 흡착율이 2% 이상인 반도체 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산소 흡착 물질층은 상기 제2 영역의 이차원 물질층의 표면에서의 산소 흡착율이 2~30%인 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 소스/드레인 전극은 서로 다른 물질로 형성된 반도체 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소스/드레인 전극 중에서 하나의 전극은 Cr/Au로 형성되고 다른 하나의 전극은 Pd로 형성된 반도체 소자.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 산소의 침투를 방지할 수 있는 절연 물질로 형성되는 반도체 소자.
  10. 다층 구조체를 포함하는 반도체 소자에 있어서,
    이차원 물질로 이루어져 있으며, 제1 영역과 제2 영역을 가지되 상기 제2 영역의 이차원 물질의 표면에는 산소가 흡착된 산소 흡착 물질층을 포함하는 반도체층; 및
    상기 반도체층의 적어도 일면에 구비된 하나 이상의 비반도체층을 포함하는 반도체 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 터널링 소자이고,
    상기 반도체층은 터널링층인 반도체 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 BJT(Binary Junction Transistor)이고,
    상기 반도체층은 터널링층인 반도체 소자.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 배리스터(barrister)이고,
    상기 반도체층은 채널층인 반도체 소자.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 FET(Field Effect Transistor)이고,
    상기 반도체층은 채널층인 반도체 소자.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 영역과 상기 제2 영역은 인접하게 배치되어 있으며,
    상기 반도체 소자는 다이오드인 반도체 소자.
  16. 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 있으며 제1 영역과 이에 인접한 제2 영역을 갖는 이차원 물질층; 및
    상기 이차원 물질층의 제1 및 제2 영역과 각각 접촉하도록 형성된 소스/드레인 전극을 포함하고,
    상기 제1 영역의 이차원 물질층의 표면에 흡착된 산소의 양인 제1 산소 흡착율과 상기 제2 영역의 이차원 물질층의 표면에 흡착된 산소의 양인 제2 산소 흡착율이 서로 다른 반도체 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 산소 흡착율은 0%이고, 상기 제2 산소 흡착율은 2% 이상인 반도체 소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 산소 흡착율은 2~30%인 반도체 소자.
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