KR102542552B1 - Apparatus and method of measuring photocurrent mapping and noise current of heterojunction phototransistors - Google Patents

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Abstract

본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정하는 기술에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치는 기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지고, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 이종접합 광트랜지스터, 상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 광전류 매핑 측정부 및 상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 노이즈 전류 측정부를 포함할 수 있다.The present invention implements a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure, and the location of photocurrent generation according to gate bias through photocurrent mapping for the implemented heterojunction phototransistor. and measuring noise current according to the charge balance between electrons and holes. According to an embodiment of the present invention, an apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of a heterojunction phototransistor has a gate layer on a substrate formed, a channel layer is formed of WS 2 on the formed gate layer, a drain layer is formed of WSe 2 on the channel layer, and a source layer is formed of MOS 2 to form p-WSe 2 /n-WS 2 / A heterojunction phototransistor having a heterojunction structure of an n-MoS 2 structure and controlling a Fermi level of the channel layer by applying a gate bias to the channel layer, by light applied to the heterojunction phototransistor As the distribution and direction of the generated photocurrent are mapped by scanning photocurrent using a laser, the light is transmitted to the heterojunction phototransistor and a photocurrent mapping measurement unit that measures positions of photocurrent generation in the drain layer, the channel layer, and the source layer. When not applied, a noise current measuring unit may be included to convert a dark current according to a direction of the gate bias into a noise current and measure the noise current.

Description

이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF MEASURING PHOTOCURRENT MAPPING AND NOISE CURRENT OF HETEROJUNCTION PHOTOTRANSISTORS}Apparatus and method for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors

본 발명은 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정 및 노이즈 전류 측정에 대한 기술적 사상에 관한 것으로, p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to technical ideas for photocurrent mapping measurement and noise current measurement of a heterojunction phototransistor, and implements a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure, A technique for measuring the location of photocurrent generation according to a gate bias through photocurrent mapping for an implemented heterojunction phototransistor and measuring noise current according to a charge balance between electrons and holes.

최근 이차원물질인 전이 금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)는 우수한 물성과 전기적 특성으로 인하여 다양한 전자 소자 및 광전 소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, transition metal dichalcogenide (TMDC), a two-dimensional material, has been actively researched for application to various electronic devices and photoelectric devices due to its excellent physical and electrical properties.

고효율의 전이 금속 디칼코게나이드 기반의 광전 소자를 위하여 광전류 생성 및 전하 균형을 최적화가 필요하다.Optimization of photocurrent generation and charge balance is required for high-efficiency transition metal dichalcogenide-based optoelectronic devices.

또한, 고효율의 전이 금속 디칼코게나이드 기반의 광전 소자를 위하여 낮은 암전류를 생성하기 위하여 이상적인 전하 고갈 조건이 필요하다.In addition, ideal charge depletion conditions are required to generate low dark current for high-efficiency transition metal dichalcogenide-based photovoltaic devices.

그러나, 단일 전이 금속 디칼코게나이드의 광전류 생성은 높은 엑시톤(exciton) 결합에너지(~0.897 eV)로 인해 엑시톤을 분할하기에 충분한 에너지가 없기 때문에 제한적이다.However, photocurrent generation of single transition metal dichalcogenides is limited because there is not enough energy to split an exciton due to the high exciton binding energy (~0.897 eV).

이러한 고유한 문제를 해결하기 위하여, 소자의 활성 채널영역에 서로 다른 n형 및 p형 반도체의 이종 접합 구조를 생성하여 내부 전위를 조절하는 방법이 연구되었다.In order to solve this unique problem, a method of controlling the internal potential by creating a heterojunction structure of different n-type and p-type semiconductors in the active channel region of the device has been studied.

예를 들어, 이종 접합 구조는 p-n-n 접합 구조를 포함할 수 있고, p-n-n 접합 구조는 p-n 접합 구조 및 n-n 접합 구조를 포함한다.For example, the heterojunction structure may include a p-n-n junction structure, and the p-n-n junction structure includes a p-n junction structure and an n-n junction structure.

광전소자에서는 광전류 및 노이즈의 원인을 체계적으로 파악하여 반응도(AW-1), 검출도(D*, cmHz1/2W-1)와 같은 광검출기 성능 지수를 극대화하는 것이 중요하다.In photoelectric devices, it is important to systematically identify the causes of photocurrent and noise to maximize photodetector figures of merit such as reactivity (AW -1 ) and detectability (D*, cmHz 1/2 W -1 ).

그러나, 현재까지 내부 전위가 광전류 생성 효율에 미치는 영향과 플리크 노이즈(flicker noise) 및 숏 노이즈(shot noise)가 성능지수에 미치는 영향은 정확히 밝혀지지 않았다.However, the effects of the internal potential on the photocurrent generation efficiency and the effects of flicker noise and shot noise on the figure of merit have not been accurately identified to date.

노이즈는 원하는 신호의 전송 및 처리를 방해하는 원치 않는 신호로써 정보를 포함하고 있지 않은 신호의 일종이다.Noise is a kind of signal that does not contain information as an unwanted signal that interferes with the transmission and processing of a desired signal.

대표적으로 플리크 노이즈(flicker noise), 숏 노이즈(shot noise) 및 존슨 노이즈(Johnson noise)로 분리될 수 있다.Representatively, it can be separated into flicker noise, shot noise, and Johnson noise.

플리커 노이즈는 모든 계측기와 전자 제품에 들어 있는 노이즈로서 아직 까지 그것에 대한 원인 규명이 명확하게 되어있지 않으며, 100Hz 이하의 주파수대역에서 1/f의 경향성으로 크게 증가 하는 모습을 보인다.Flicker noise is noise contained in all measuring instruments and electronic products, and the cause of it has not yet been clearly identified.

숏 노이즈는 DC 전압을 소자에 인가 될 때 전하가 이동하는 순간 발생 되어지고, 일상생활에서 비가 내리는 현상과 같다.Shot noise is generated the moment electric charges move when DC voltage is applied to the device, and it is like a phenomenon in everyday life when it rains.

구름에서 출발한 빗방울이 땅에 도달하는 순간은 서로 다르며 비를 전자로 생각해본다면 전자가 출발하는 전극에서 도착하는 전극에 도달하는 서로 다른 시간이 발생되는데, 이는 외부 DC 전압과 물질의 저항에 매우 민감한 노이즈로 볼 수 있다.The moment when raindrops departing from clouds reach the ground is different, and if you think of rain as electrons, different times occur when electrons reach the electrodes arriving from the departing electrode, which is very sensitive to external DC voltage and the resistance of the material. can be seen as noise.

존슨 노이즈는 물질이 주변 환경에 의해 조금씩 변화되며 생성되는 약한 노이즈로서 전기적 특성과는 관련 없이 관찰 되어질 수 있다.Johnson noise is a weak noise generated when a material is slightly changed by the surrounding environment, and can be observed regardless of electrical characteristics.

광전류는 외부에 인가된 광원에 의해서 광트랜지스터에서 형성되는 전류로 광트랜지스터의 노이즈 수준이 빛에 의해 형성된 광전류와 비슷한 수준으로 높다면, 사용자는 광트랜지스터가 읽는 신호가 빛에 의한 신호인지, 노이즈인지 분간하기 어렵다.Photocurrent is a current formed in a phototransistor by an externally applied light source. If the noise level of the phototransistor is as high as the photocurrent formed by light, the user can determine whether the signal read by the phototransistor is a signal caused by light or noise. hard to tell apart

따라서, 암전류 및 노이즈가 낮을수록 작은 신호에도 광트랜지스터가 빛을 정확히 검출할 수 있으며 이는 광트랜지스터 소자의 검출능과 관련될 수 있다.Therefore, as the dark current and noise are lower, the phototransistor can accurately detect light even with a smaller signal, which may be related to the detection capability of the phototransistor device.

일반적으로 광트랜지스터 소자의 암전류가 커지면 노이즈도 동시에 증가하는 경향이 있다.In general, when the dark current of a phototransistor device increases, noise also tends to increase at the same time.

따라서, 암전류가 낮아지면 노이즈 또한 낮아지며, 이는 광트랜지스터로 외부에서 인가되어지는 아주 작은 신호(빛, 레이저, 광원)를 광트랜지스터가 검출하는 검출능과 관련될 수 있다.Therefore, when the dark current is lowered, the noise is also lowered, and this may be related to the detection ability of the phototransistor to detect a very small signal (light, laser, light source) applied from the outside to the phototransistor.

한국공개특허 제2019-0137721호, "이차원 물질을 포함하는 초격자 구조 및 이를 구비한 소자"Korean Patent Publication No. 2019-0137721, "Superlattice structure including two-dimensional material and device having the same" 한국등록특허 제10-2270928호, "광센서"Korean Patent Registration No. 10-2270928, "Optical sensor" 미국공개특허 제2020/0335637호, "TWO-DIMENSIONAL ELECTROSTRICTIVE FIELD EFFECT TRANSISTOR(2D-EFET)"US Patent Publication No. 2020/0335637, "TWO-DIMENSIONAL ELECTROSTRICTIVE FIELD EFFECT TRANSISTOR (2D-EFET)" 한국등록특허 제10-2153945호, "이차원 반도체 소재를 이용한 전자소자"Korean Patent Registration No. 10-2153945, "Electronic device using two-dimensional semiconductor material"

본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정하는 것을 목적으로 한다.The present invention implements a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure, and the location of photocurrent generation according to gate bias through photocurrent mapping for the implemented heterojunction phototransistor. is measured, and the purpose is to measure the noise current according to the charge balance between electrons and holes.

본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터에서 n-WS2층에 정전기 도핑에 해당하는 게이트 바이어스를 선택적으로 인가하여 광전류를 생성하기 위한 이종 접합층 사이의 전하 캐리어 균형을 변경함에 따라 전하 균형을 제어하는 것을 목적으로 한다.The present invention provides a method for generating a photocurrent by selectively applying a gate bias corresponding to electrostatic doping to an n-WS 2 layer in a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure. It aims to control the charge balance by changing the charge carrier balance between the heterojunction layers.

본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 p-n 접합과 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 따라 광전류 매핑을 수행하여 광전류 유형 및 광전류 생성 위치를 측정하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to measure the type of photocurrent and the location of photocurrent generation by performing photocurrent mapping along two different diode directions in a p-n junction and an n-n junction in a heterojunction phototransistor.

본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 공핍층(depletion layer) 형성과 관련된 전자와 정공의 전하 균형에 따른 플리크 노이즈(flicker noise) 및 숏 노이즈(shot noise)를 측정하여 저차원 반도체를 이용하는 광소자(예: 태양광장치 등)의 신호 대 노이즈 비율을 분석하는 것을 목적으로 한다.The present invention measures flicker noise and shot noise according to the charge balance of electrons and holes related to the formation of a depletion layer in a heterojunction phototransistor to obtain an optical device using a low-dimensional semiconductor ( Example: The purpose is to analyze the signal-to-noise ratio of solar devices, etc.).

본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치는 기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지고, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 이종접합 광트랜지스터, 상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 광전류 매핑 측정부 및 상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 노이즈 전류 측정부를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, an apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of a heterojunction phototransistor includes a gate layer formed on a substrate, a channel layer formed of WS 2 on the gate layer, and a channel layer formed on the channel layer. The drain layer is formed of WSe 2 and the source layer is formed of MOS 2 to have a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 heterojunction structure, and a gate bias is applied to the channel layer to form the channel A heterojunction phototransistor in which the Fermi level of the layer is controlled, and the distribution and direction of photocurrent generated by light applied to the heterojunction phototransistor are mapped by scanning photocurrent using a laser to map the drain layer and the channel. When the light is not applied to the heterojunction phototransistor and the photocurrent mapping measurement unit for measuring the location of the photocurrent generation in the layer and the source layer, the dark current according to the direction of the gate bias is converted into a noise current. It may include a noise current measuring unit to measure.

상기 게이트층은 h-BN으로 형성되고, 상기 h-BN을 통해 상기 게이트 바이어스에 의한 게이트 전계효과는 상기 채널층에 전달될 수 있다.The gate layer may be formed of h-BN, and a gate electric field effect by the gate bias may be transferred to the channel layer through the h-BN.

상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하며, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합에서 전하 균형이 제어될 수 있다.In the heterojunction phototransistor, the drain layer and the channel layer form a p-n junction, the channel layer and the source layer form an n-n junction, and a gate bias is applied to the channel layer to form a Fermi level of the channel layer ( As the Fermi level) is controlled, charge balance can be controlled in the p-n junction and the n-n junction.

상기 광전류 매핑 측정부는 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 상기 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행하고, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect, PCe)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성할 수 있다.The photocurrent mapping measuring unit performs scanning photocurrent mapping using the laser in two different diode directions with the p-n junction and the n-n junction, and a first region corresponding to the p-n junction and a third region corresponding to the n-n junction It is possible to create a photocurrent map that measures and displays the location and size of the photocurrent generated by the photovoltaic effect (PVe) and the location and size of the photocurrent induced by the photoconductive effect (PCe) in the region. .

상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타나고, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 상기 개방 회로 전압(VOC)이 작아지며, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성될 수 있다.The heterojunction phototransistor has an open circuit voltage (V OC ) and a photovoltaic effect in the first region corresponding to the pn junction when the gate bias is lower than the threshold level when the gate bias is applied to the channel layer. (photovoltaic effect, PVe) appears, and when the level of the gate bias is equal to the threshold level, the open circuit voltage (V OC ) is reduced in the second region corresponding to between the pn junction and the nn junction, When the level of the gate bias is greater than the critical level, a direct tunneling effect may be generated as a potential barrier between conduction bands in the third region corresponding to the nn junction is narrowed.

상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe) 보다 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 상기 제3 영역에서 상기 채널층의 전자 농도가 높아지면 상기 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 상기 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생될 수 있다.In the heterojunction phototransistor, when the photovoltaic effect (PVe) is more generated than the photoconductive effect (PCe) in the first region and the electron concentration of the channel layer is increased in the third region, Due to the influence of a depletion layer at the interface of the source layer, the photoconductive effect (PCe) may be more generated than the photovoltaic effect (PVe).

상기 노이즈 전류 측정부는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 상기 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환할 수 있다.The noise current measuring unit detects a dark current in any one of a first region in which the drain layer and the channel layer form a p-n junction and a third region in which the channel layer and the source layer form an n-n junction The dark current may be converted into a short noise current using the electron charge and the electron charge.

상기 노이즈 전류 측정부는 상기 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 상기 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정할 수 있다.The noise current measuring unit may determine the flicker noise current by applying a magnification according to the magnitude of the dark current to the converted short noise current.

본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법은 기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지는 이종접합 광트랜지스터에서, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 단계; 광전류 매핑 측정부에서, 상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 단계; 및 노이즈 전류 측정부에서, 상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 단계를 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a photocurrent mapping and noise current measuring method of a heterojunction phototransistor includes a gate layer formed on a substrate, a channel layer formed of WS 2 on the formed gate layer, and a channel layer formed on the channel layer. In a heterojunction phototransistor having a heterojunction structure in which a drain layer is formed of WSe 2 and a source layer is formed of MOS 2 and has a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure, a gate bias is applied to the channel layer is applied to control a Fermi level of the channel layer; In the photocurrent mapping measuring unit, the distribution and direction of the photocurrent generated by the light applied to the heterojunction phototransistor is mapped using a laser to scan the photocurrent, and thus the location of the photocurrent generation in the drain layer, the channel layer, and the source layer. measuring; and converting and measuring a dark current according to a direction of the gate bias into a noise current when the light is not applied to the heterojunction phototransistor in a noise current measuring unit.

상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하며, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합에서 전하 균형이 제어될 수 있다.In the heterojunction phototransistor, the drain layer and the channel layer form a p-n junction, the channel layer and the source layer form an n-n junction, and a gate bias is applied to the channel layer to form a Fermi level of the channel layer ( As the Fermi level) is controlled, charge balance can be controlled in the p-n junction and the n-n junction.

상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 단계는,The step of measuring the location of photocurrent generation in the drain layer, the channel layer, and the source layer by mapping the distribution and direction of the photocurrent generated by the light applied to the heterojunction phototransistor using a laser by scanning photocurrent,

상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 상기 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행하고, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect, PCe)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.Scanning photocurrent mapping is performed using the laser for two different diode directions with the p-n junction and the n-n junction, and a photovoltaic effect is performed in a first region corresponding to the p-n junction and a third region corresponding to the n-n junction. and generating a photocurrent map measuring and displaying the location and size of the photocurrent generated by the photovoltaic effect (PVe) and the location and size of the photocurrent induced by the photoconductive effect (PCe).

상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타나고, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 상기 개방 회로 전압(VOC)이 작아지며, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성될 수 있다.The heterojunction phototransistor has an open circuit voltage (V OC ) and a photovoltaic effect in the first region corresponding to the pn junction when the gate bias is lower than the threshold level when the gate bias is applied to the channel layer. (photovoltaic effect, PVe) appears, and when the level of the gate bias is equal to the threshold level, the open circuit voltage (V OC ) is reduced in the second region corresponding to between the pn junction and the nn junction, When the level of the gate bias is greater than the critical level, a direct tunneling effect may be generated as a potential barrier between conduction bands in the third region corresponding to the nn junction is narrowed.

상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe) 보다 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 상기 제3 영역에서 상기 채널층의 전자 농도가 높아지면 상기 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 상기 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생될 수 있다.In the heterojunction phototransistor, when the photovoltaic effect (PVe) is more generated than the photoconductive effect (PCe) in the first region and the electron concentration of the channel layer is increased in the third region, Due to the influence of a depletion layer at the interface of the source layer, the photoconductive effect (PCe) may be more generated than the photovoltaic effect (PVe).

상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 단계는,When the light is not applied to the heterojunction phototransistor, the step of converting and measuring the dark current according to the direction of the gate bias into noise current,

상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 상기 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환하는 단계 및 상기 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 상기 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.Dark current and electron charge in any one of a first region in which the drain layer and the channel layer form a p-n junction and a third region in which the channel layer and the source layer form an n-n junction converting the dark current into a short noise current using charge and determining a flicker noise current by applying a magnification according to the magnitude of the dark current to the converted short noise current can do.

본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정할 수 있다.The present invention implements a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure, and the location of photocurrent generation according to gate bias through photocurrent mapping for the implemented heterojunction phototransistor. , and the noise current according to the charge balance between electrons and holes can be measured.

본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터에서 n-WS2층에 정전기 도핑에 해당하는 게이트 바이어스를 선택적으로 인가하여 광전류를 생성하기 위한 이종 접합층 사이의 전하 캐리어 균형을 변경함에 따라 전하 균형을 제어할 수 있다.The present invention provides a method for generating a photocurrent by selectively applying a gate bias corresponding to electrostatic doping to an n-WS 2 layer in a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure. By changing the charge carrier balance between the heterojunction layers, the charge balance can be controlled.

본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 p-n 접합과 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 따라 광전류 매핑을 수행하여 광전류 유형 및 광전류 생성 위치를 측정할 수 있다.According to the present invention, photocurrent mapping is performed along two different diode directions in a p-n junction and an n-n junction in a heterojunction phototransistor to measure the photocurrent type and photocurrent generation location.

본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 공핍층(depletion layer) 형성과 관련된 전자와 정공의 전하 균형에 따른 플리크 노이즈(flicker noise) 및 숏 노이즈(shot noise)를 측정하여 저차원 반도체를 이용하는 광소자(예: 태양광장치 등)의 신호 대 노이즈 비율을 분석할 수 있다.The present invention measures flicker noise and shot noise according to the charge balance of electrons and holes related to the formation of a depletion layer in a heterojunction phototransistor to obtain an optical device using a low-dimensional semiconductor ( For example, the signal-to-noise ratio of solar devices, etc.) can be analyzed.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터를 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 결합 구조를 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전자 특성을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 캐스케이드(cascade) 밴드 정렬을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정을 설명하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 대한 어닐링(annealing) 공정을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정과 관련된 천이 구역(transient zone)을 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 노이즈 전류 측정을 설명하는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 p-n 및 n-n 접합에서 시간 분해 광전류 응답을 설명하는 도면이다.
1 is a diagram illustrating an apparatus for mapping photocurrent and measuring noise current of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
2A and 2B are views illustrating a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
3A to 3C are views illustrating a coupling structure of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
4A and 4B are diagrams illustrating optoelectronic characteristics of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating cascade band alignment of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
6A to 6C are diagrams illustrating measurement of photocurrent mapping of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
7A to 7D are diagrams illustrating an annealing process for a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a transient zone related to photocurrent mapping measurement of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
9A to 9F are views illustrating noise current measurement of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.
10A and 10B are views illustrating time-resolved photocurrent responses in pn and nn junctions of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification are only illustrated for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention These may be embodied in various forms and are not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Embodiments according to the concept of the present invention can apply various changes and can have various forms, so the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosures, and includes modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, a first component may be named a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.

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 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle. Expressions describing the relationship between components, such as "between" and "directly between" or "directly adjacent to" should be interpreted similarly.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 스테이지, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 스테이지, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that an embodied feature, number, stage, operation, component, part, or combination thereof exists, but one or more other features or numbers, It should be understood that the presence or addition of stages, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.

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 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this specification, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these examples. Like reference numerals in each figure indicate like elements.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치를 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating an apparatus for mapping photocurrent and measuring noise current of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치(100)는 이종접합 광트랜지스터(110), 광전류 매핑 측정부(120) 및 노이즈 전류 측정부(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , an apparatus 100 for mapping photocurrent and measuring noise current of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention includes a heterojunction phototransistor 110, a photocurrent mapping measuring unit 120, and a noise current measuring unit. (130).

본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치(100)는 특정층에 정전기 도핑을 선택적으로 적용하여 광이 입사할 시 광전류를 생성하기 위한 이종접합층 사이의 전하 캐리어 균형을 변조할 수 있다.An apparatus 100 for mapping photocurrent and measuring noise current of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention selectively applies electrostatic doping to a specific layer to generate a photocurrent when light is incident on charge between heterojunction layers The carrier balance can be modulated.

또한, 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치(100)는 광전류 매핑을 사용하여 이종접합 광트랜지스터의 작동 전환 영역에서 광전류가 생성되는 위치를 식별할 수 있다.In addition, the photocurrent mapping and noise current measuring apparatus 100 of the heterojunction phototransistor may identify a location where photocurrent is generated in an operation switching region of the heterojunction phototransistor by using the photocurrent mapping.

또한, 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치(100)는 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2에서 단위 활성 영역의 감광도 및 감지율에 미치는 영향 분석을 위한 노이즈 전류 측정할 수 있다.In addition, the photocurrent mapping and noise current measurement apparatus 100 of the heterojunction phototransistor measures noise current for analyzing the effect on the photosensitivity and detection rate of a unit active area in p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 can do.

본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터(110)는 기판 상에 게이트층이 형성되고, 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가질 수 있다.In the heterojunction phototransistor 110 according to an embodiment of the present invention, a gate layer is formed on a substrate, a channel layer is formed of WS 2 on the formed gate layer, and a drain layer is formed of WSe 2 on the channel layer. And, the source layer may be formed of MOS 2 to have a heterojunction structure of p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure.

또한, 이종접합 광트랜지스터(110)는 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어될 수 있다.Also, in the heterojunction phototransistor 110 , a gate bias may be applied to a channel layer so that a Fermi level of the channel layer may be controlled.

일례로, 게이트층은 h-BN으로 형성되고, h-BN을 통해 게이트 바이어스에 의한 게이트 전계효과는 채널층에 전달될 수 있다.For example, the gate layer is formed of h-BN, and a gate electric field effect by a gate bias may be transferred to the channel layer through the h-BN.

본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터(110)는 드레인층과 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 채널층과 소스층이 n-n 접합을 형성한다.According to an embodiment of the present invention, in the heterojunction phototransistor 110, the drain layer and the channel layer form a p-n junction, and the channel layer and the source layer form an n-n junction.

또한, 이종접합 광트랜지스터(110)는 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 p-n 접합과 n-n 접합에서 전하 균형이 제어될 수 있다.In addition, in the heterojunction phototransistor 110 , a gate bias is applied to the channel layer to control a Fermi level of the channel layer, so that charge balance can be controlled at the p-n junction and the n-n junction.

본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터(110)는 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe) 보다 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the heterojunction phototransistor 110 may generate a photovoltaic effect (PVe) more than a photoconductive effect (PCe) in the first region.

또한, 이종접합 광트랜지스터(110)는 제3 영역에서 채널층의 전자 농도가 높아지면 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생될 수 있다.In addition, in the heterojunction phototransistor 110, when the electron concentration of the channel layer increases in the third region, the photoconductive effect is greater than the photovoltaic effect (PVe) due to the influence of the depletion layer at the interface of the source layer. A photoconductive effect, PCe) may further occur.

여기서, 제1 영역은 드레인층과 채널층이 p-n 접합을 형성하는 영역일 수 있고, 제3 영역은 채널층과 소스층이 n-n 접합을 형성하는 영역일 수 있다.Here, the first region may be a region where the drain layer and the channel layer form a p-n junction, and the third region may be a region where the channel layer and the source layer form an n-n junction.

예를 들어, 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)는 에너지 생성 효과로서 접합부에 존재하는 내부전위은 외부 전압 없이 전류(Short-Circuit Current, ISC)와 전압(Open-Circuit Volt, VOC)을 생성한다.For example, the photovoltaic effect (PVe) is an energy generating effect, and an internal potential existing at a junction generates a current (Short-Circuit Current, ISC) and a voltage (Open-Circuit Volt, VOC) without an external voltage.

예를 들어, 광도전효과(photoconductive effect, PCe)는 외부 바이어스 생성 광전류에 의해 생성된 외부 전기장을 지칭하고, 광전류를 생성하려면 외부 바이어스가 필요함에 따라 VOC 및 ISC와 같은 효과는 나타낼 수 없다.For example, the photoconductive effect (PCe) refers to an external electric field generated by an external bias-generated photocurrent, and since an external bias is required to generate the photocurrent, effects such as VOC and ISC cannot be exhibited.

따라서, 본 발명의 이종접합 광트랜지스터(110)는 게이트 전압의 바이어스에 따른 광전류 매핑 결과를 통해 광전류 형성 메커니즘을 광기전 효과와 광도전 효과로 분류할 수 있다.Therefore, in the heterojunction phototransistor 110 of the present invention, the photocurrent formation mechanism can be classified into a photovoltaic effect and a photoconductive effect through a photocurrent mapping result according to a gate voltage bias.

본 발명의 일실시예에 따르면 광전류 매핑 측정부(120)는 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 드레인층, 채널층 및 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the photocurrent mapping measurement unit 120 maps the distribution and direction of photocurrent generated by light applied to the heterojunction phototransistor by using a laser to scan the photocurrent to map the drain layer, the channel layer, and the source layer. The location of the photocurrent generation in the layer can be measured.

구체적으로, 광전류 매핑 측정부(120)는 드레인층과 채널층 사이의 p-n 접합과 채널층과 소스층 사이의 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 광전류 매핑을 위한 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행할 수 있다.Specifically, the photocurrent mapping measuring unit 120 performs scanning photocurrent mapping using a laser for photocurrent mapping in two different diode directions with a p-n junction between the drain layer and the channel layer and an n-n junction between the channel layer and the source layer. can be done

또한, 광전류 매핑 측정부(120)는 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성할 수 있다.In addition, the photocurrent mapping measuring unit 120 measures the position and size of the photocurrent generated by the photovoltaic effect (PVe) in the first region corresponding to the p-n junction and the third region corresponding to the n-n junction and the photoconductive effect ( A photocurrent map that measures and displays the position and magnitude of the photocurrent induced by the photoconductive effect can be created.

따라서, 이종접합 광트랜지스터(110)의 제1 영역에서 상기 광도전효과(photoconductive effect) 보다 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 이종접합 광트랜지스터(110)의 제3 영역에서 채널층의 전자 농도가 높아지면 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 광도전효과(photoconductive effect)가 더 발생되는 것이 확인될 수 있다.Therefore, a photovoltaic effect (PVe) is generated more than the photoconductive effect in the first region of the heterojunction phototransistor 110, and a channel channel in the third region of the heterojunction phototransistor 110. It can be confirmed that when the electron concentration of the layer is increased, a photoconductive effect is generated more than a photovoltaic effect (PVe) due to the influence of a depletion layer at the interface of the source layer.

본 발명의 일실시예에 따르면 노이즈 전류 측정부(130)는 이종접합 광트랜지스터(110)에 광이 인가되지 않는 경우, 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정할 수 있다. 여기서, 광이 인가되지 않은 경우는 광이 없는 어두운 상태를 나타낼 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the noise current measurement unit 130 converts the dark current according to the direction of the gate bias into noise current when no light is applied to the heterojunction phototransistor 110 and measures the noise current. can Here, when no light is applied, it may indicate a dark state without light.

일례로, 노이즈 전류 측정부(130)는 드레인층과 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 채널층과 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환할 수 있다.For example, the noise current measuring unit 130 measures the dark current (dark current) in any one of a first region in which the drain layer and the channel layer form a p-n junction and a third region in which the channel layer and the source layer form an n-n junction. A dark current can be converted into a short noise current using current and electron charge.

즉, 노이즈 전류 측정부(130)는 하기 수학식 1을 이용하여 숏 노이즈 전류를 측정할 수 있다.That is, the noise current measurement unit 130 may measure the shot noise current using Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021089058052-pat00001
Figure 112021089058052-pat00001

수학식 1에서, iSN은 숏 노이즈를 나타낼 수 있고, q는 전자 전하를 나타낼 수 있으며, Idark는 암전류를 나타낼 수 있다.In Equation 1, i SN may represent shot noise, q may represent electron charge, and I dark may represent dark current.

본 발명의 일실시예에 따르면 노이즈 전류 측정부(130)는 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the noise current measurement unit 130 may determine the flicker noise current by applying a magnification according to the magnitude of the dark current to the converted short noise current.

즉, 노이즈 전류 측정부(130)는 잡음 전력 밀도의 관계식에 따라 숏 노이즈 전류를 이용하여 플리커 노이즈 전류를 결정할 수 있다.That is, the noise current measurement unit 130 may determine the flicker noise current using the shot noise current according to the relational expression of the noise power density.

예를 들어, 노이즈 전류 측정부(130)는 하기 수학식 2를 이용하여 플리커 노이즈 전류를 결정할 수 있다.For example, the noise current measurer 130 may determine the flicker noise current using Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021089058052-pat00002
Figure 112021089058052-pat00002

수학식 2에서, D*는 검출도를 나타낼 수 있고, R은 반응성을 나타낼 수 있고, A는 검출기의 활성 영역을 나타낼 수 있으며, B는 대역폭을 나타낼 수 있고, iFN은 플리커 노이즈 전류를 나타낼 수 있고, NEP는 플리커 노이즈 전류를 반응성으로 나눈 값에 상응할 수 있다.In Equation 2, D* can represent the detectability, R can represent the reactivity, A can represent the active area of the detector, B can represent the bandwidth, i FN can represent the flicker noise current and NEP may correspond to flicker noise current divided by reactivity.

또한, 도 1에서 설명된 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치에 기반하여 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법이 구현 가능하다.Also, based on the apparatus for mapping photocurrent and measuring noise current of a heterojunction phototransistor described in FIG. 1 , a method for mapping photocurrent and measuring noise current of a heterojunction phototransistor may be implemented.

따라서, 본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정할 수 있다.Therefore, the present invention implements a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure, and generates a photocurrent according to a gate bias through photocurrent mapping for the implemented heterojunction phototransistor. By measuring the position of , the noise current according to the charge balance between electrons and holes can be measured.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터를 설명하는 도면이다.2A and 2B are views illustrating a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 구조도를 예시한다.2A illustrates a structural diagram of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 2a를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터(200)는 게이트층(201), 채널층(202), 드레인층(203) 및 소스층(204)을 포함한다.Referring to FIG. 2A , a heterojunction phototransistor 200 according to an embodiment of the present invention includes a gate layer 201 , a channel layer 202 , a drain layer 203 and a source layer 204 .

게이트층(201)은 h-BN으로 형성되고, 채널층(202)은 WS2로 형성되며, 드레인층(203)은 WSe2으로 형성되고, 소스층(204)은 MoS2으로 형성됨에 따라 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터(200)로 구현된다.The gate layer 201 is formed of h-BN, the channel layer 202 is formed of WS 2 , the drain layer 203 is formed of WSe 2 , and the source layer 204 is formed of MoS 2 As p -WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 It is implemented as a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor 200 having a structure.

본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터(200)는 p형 반도체인 WSe2와 n형 반도체인 MoS2를 WS2 층의 양쪽 끝에 적층하여 p-n-n 접합을 형성한다.According to an embodiment of the present invention, the heterojunction phototransistor 200 forms a pnn junction by stacking WS e2 as a p-type semiconductor and MoS 2 as an n-type semiconductor at both ends of a WS 2 layer.

도 2b를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터(210)는 게이트층 아래 게이트 전극(211)이 위치하고, 드레인층 상에 드레인 전극(212)이 위치하며, 소스층 상에 소스 전극(213)이 위치하여 게이트 전극(211)을 통해 게이트 바이어스 및 드레인 전극(212)을 통해 드레인 바이어스를 인가받을 수 있다.Referring to FIG. 2B , in the heterojunction phototransistor 210 according to an embodiment of the present invention, the gate electrode 211 is positioned under the gate layer, the drain electrode 212 is positioned on the drain layer, and the source layer is positioned on the drain layer. A source electrode 213 is positioned to receive a gate bias through the gate electrode 211 and a drain bias through the drain electrode 212 .

예를 들어, 소스 및 드레인 전극은 PMMA 마스크 전자빔 리소그래피(EBL)를 사용하여 WS2에 적층 형성된 MoS2 및 WSe2에 각각 선택적으로 증착 형성될 수 있다.For example, the source and drain electrodes may be selectively deposited on MoS 2 and WSe 2 stacked on WS 2 using PMMA mask electron beam lithography (EBL), respectively.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 결합 구조를 설명하는 도면이다.3A to 3C are views illustrating a coupling structure of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 결합 구조와 관련된 광학 이미지를 예시한다.3A illustrates an optical image related to a coupling structure of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 3a를 참고하면, 이종접합 광트랜지스터의 광학 이미지(300)는 게이트 영역(301), 채널 영역(302), 소스 영역(303) 및 드레인 영역(304)으로 구분되어진다.Referring to FIG. 3A , an optical image 300 of a heterojunction phototransistor is divided into a gate region 301 , a channel region 302 , a source region 303 and a drain region 304 .

예를 들어, 광학 이미지(300)는 광전류 매핑 결과를 가시화하는 광전류 맵핑맵과 유사한 구조를 나타낸다.For example, the optical image 300 shows a structure similar to a photocurrent mapping map that visualizes a photocurrent mapping result.

도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 대한 라만 분광법 결과를 예시한다.3B illustrates a Raman spectroscopy result for a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 3b를 참고하면, 그래프(310)는 각 재료에 대한 면내(E1 2g) 및 면외(A1g) 진동 모드를 관찰하여 WSe2로 형성되는 드레인층, WS2로 형성되는 채널층, MoS2로 형성되는 소스층 및 h-BN 유전체층이 라만 분광법으로 식별 가능함을 예시한다.Referring to FIG. 3B , a graph 310 is obtained by observing in-plane (E 1 2g ) and out-of-plane (A 1g ) vibration modes for each material, such that a drain layer formed of WSe 2 , a channel layer formed of WS 2 , and MoS 2 It illustrates that the source layer and the h-BN dielectric layer formed of can be identified by Raman spectroscopy.

도 3c는 MoS2-WS2-WSe2 이종접합의 반 데르 발스 갭에서 계면 여기자 생성 및 분리 메커니즘에 대한 개략도를 예시한다.Figure 3c illustrates a schematic diagram of the interfacial exciton generation and separation mechanism in the van der Waals gap of the MoS 2 -WS 2 -WSe 2 heterojunction.

도 3c를 참고하면, 개략도는 MoS2(321), WS2(322), WSe2(323)을 나타내고, 전자 및 정공의 이동(324)을 예시한다.Referring to FIG. 3C , a schematic diagram shows MoS 2 (321), WS 2 (322), and WSe 2 (323) and illustrates electron and hole movement (324).

이종접합 광트랜지스터를 형성하는 각 층이 반데르발스 이종접합을 형성하더라도 z축에 1차 화학결합 구조가 없고 모든 적층층이 고립되어 있어 각 층의 진동 에너지는 큰 변화를 보이지 않는다.Even if each layer forming the heterojunction phototransistor forms a van der Waals heterojunction, there is no primary chemical bond structure in the z-axis and all laminated layers are isolated, so the vibration energy of each layer does not show a large change.

2차원 물질의 z축에 있는 반데르발스 갭은 층간 전하 분리 장벽으로 중요한 역할을 한다.The van der Waals gap in the z-axis of a two-dimensional material plays an important role as an interlayer charge separation barrier.

따라서 2차원 재료는 광전자 특성을 최대화하기 위해 x-y 평면에서 우수한 전하 이동성을 기반으로 자유 캐리어를 효율적으로 수집하는 이점이 존재한다.Therefore, two-dimensional materials have the advantage of efficiently collecting free carriers based on excellent charge mobility in the x-y plane to maximize optoelectronic properties.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전자 특성을 설명하는 도면이다.4A and 4B are diagrams illustrating optoelectronic characteristics of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 게이트 바이어스 및 드레인 바이어스의 변경에 따른 전류 매핑을 예시한다.4A illustrates current mapping according to changes in gate bias and drain bias applied to a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 4b는 도 4a에서와 동일한 바이어스 조건 및 0.3 내지 100nA의 전류 범위에서 52μW cm-2의 입사광 전력에서 광전류 매핑 결과를 예시한다.FIG. 4B illustrates the photocurrent mapping results at an incident light power of 52 μW cm −2 under the same bias condition as in FIG. 4A and in a current range of 0.3 to 100 nA.

도 4a의 그래프(400)를 참고하면, 이종접합 광트랜지스터에는 1.5VG에서 0.5VG까지의 게이트 바이어스 및 -1VD에서 1VD까지의 드레인 바이어스가 인가된다.Referring to the graph 400 of FIG. 4A , a gate bias from 1.5V G to 0.5V G and a drain bias from -1V D to 1V D are applied to the heterojunction phototransistor.

전류 매핑은 적용된 게이트 전압 및 드레인 전압에 따른 역냉각 영역(402)과 순방향 가열 영역(401)에서 -0.5VG의 일반적인 다이오드 전이를 보여준다.The current mapping shows a typical diode transition of -0.5VG in the reverse cooling region 402 and forward heating region 401 as a function of the applied gate and drain voltages.

특히, 검은 점선으로 표시된 임계 전압(VTh)은 상대 p-n 접합에서 qVbi = p-n의 임계 장벽에 비례하여 두 개의 다른 다이오드 방향을 나타낸다.In particular, the threshold voltage (VTh) indicated by the black dotted line represents two different diode orientations proportional to the critical barrier of qVbi = p-n at the relative p-n junction.

여기서 q는 전자 전하이고 는 일함수를 나타낸다. 게이트 바이어스의 기능으로 WS2의 페르미 레벨을 이동하면 WSe2 및 MoS2 접합의 임계값 장벽이 변경될 수 있다.where q is the electron charge and represents the work function. Shifting the Fermi level of WS 2 as a function of the gate bias can change the threshold barrier of the WSe 2 and MoS 2 junctions.

이차원물질인 전이 금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)의 벌크 밴드갭(Eg)은 약

Figure 112021089058052-pat00003
1.3 eV이며, 페르미 레벨 정렬에 따른 접합의 Vbi는 다음 p-n 접합 공식인 하기 수학식 3을 사용하여 추정할 수 있다.The bulk band gap (Eg) of transition metal dichalcogenide (TMDC), a two-dimensional material, is about
Figure 112021089058052-pat00003
1.3 eV, and the Vbi of the junction according to the Fermi level alignment can be estimated using Equation 3, which is the following pn junction formula.

[수학식 3][Equation 3]

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Figure 112021089058052-pat00004

수학식 3에서, NC는 전도대에서 전자의 유효 농도를 나타낼 수 있고, NV는 가전자대에서 정공의 유효 농도를 나타낼 수 있으며, N'D 및 N'A는 각각 순 도너 및 억셉터 농도를 나타낼 수 있다.In Equation 3, N C may represent the effective concentration of electrons in the conduction band, N V may represent the effective concentration of holes in the valence band, and N' D and N' A respectively represent the net donor and acceptor concentrations. can indicate

WS2의 페르미 레벨(NC/N'D)만 게이트 바이어스의 함수로 조정할 수 있으므로 NV/N'A는 상수로 간주할 수 있다.Since only the Fermi level of WS 2 (N C /N' D ) can be tuned as a function of the gate bias, N V /N' A can be regarded as a constant.

따라서,임계 전압(VTh)의 변화는 WS2에 인가된 게이트 바이어스에 따른 qVbi의 변화에 의존한다.Accordingly, the change in the threshold voltage (V Th ) depends on the change in qVbi according to the gate bias applied to WS 2 .

백색광(52 μW cm-2)이 소자를 비추면 도 4b의 그래프(410)와 같이 광기전력 효과가 관찰될 수 있다.When white light (52 μW cm −2 ) illuminates the device, a photovoltaic effect can be observed as shown in the graph 410 of FIG. 4B.

그래프(410)에서는 제1 영역(411), 제2 영역(412) 및 제3 영역(413)으로 구분될 수 있다.In the graph 410, it may be divided into a first area 411, a second area 412, and a third area 413.

제1 영역(411)은 VOC가 유지되는 p-n 접합이고, 제2 영역(412)은 VOC가 줄어들고 있는 일시적인 영역이며, 제3 영역(413)은 VOC가 사라진 n-n 접합을 포함할 수 있다.The first region 411 is a pn junction where V OC is maintained, the second region 412 is a temporary region where V OC is reduced, and the third region 413 may include an nn junction where V OC disappears. .

그래프(400)의 다이오드 냉각 영역(402)에서 순 전류는 광전류 생성에 의해 10-12A에서 10-9A로 증가되는 것을 확인할 수 있다.In the diode cooling region 402 of the graph 400, it can be seen that the net current is increased from 10 −12 A to 10 −9 A due to photocurrent generation.

특정 게이트 범위 -1.5VG 내지 -0.5VG에서 일반적인 광기전력 효과를 관찰했으며 -0.5VG 영역 위로 점차적으로 사라진다.A typical photovoltaic effect was observed in the specific gate range -1.5V G to -0.5V G and gradually disappeared above the -0.5V G region.

-0.9 VG 내지 -0.7 VG 범위에서 측정된 개방 회로 전압(open circuit voltage, VOC)은 0.42V로, 이전에 보고된 BP/WS2 이종 접합 장치에서 관찰된 0.33V보다 높을 수 있다.The measured open circuit voltage (V OC ) in the range of -0.9 V G to -0.7 V G is 0.42 V, which can be higher than the 0.33 V observed in the previously reported BP/WS 2 heterojunction device.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 캐스케이드(cascade) 밴드 정렬을 설명하는 도면이다.5 is a diagram illustrating cascade band alignment of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에서 광전 효과를 나타내는 에너지 밴다이어그램을 예시한다.5 illustrates an energy venn diagram showing a photoelectric effect in a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참고하면, 게이트 바이어스가 임계 값보다 작은 제1 영역의 에너지 밴다이어그램(500), 게이트 바이어스와 임계값이 동일한 제2 영역의 에너지 밴다이어그램(510) 및 게이트 바이어스가 임계값보다 큰 제3 영역의 에너지 밴다이어그램(520)을 예시한다.Referring to FIG. 5 , an energy venn diagram 500 of a first region where the gate bias is less than the threshold value, an energy venn diagram 510 of the second region where the gate bias and the threshold value are the same, and a gate bias greater than the threshold value An energy venn diagram 520 of three regions is illustrated.

에너지 밴다이어그램(500), 에너지 밴다이어그램(510) 및 에너지 밴다이어그램(520)을 참고하면, 인가된 게이트 바이어스는 WS2 층(커패시터 기호)에만 영향을 미치므로 이종접합 밴드 다이어그램에서 WS2 층만 페르미 레벨 이동을 보인다.Referring to Energy Venn Diagram 500, Energy Venn Diagram 510, and Energy Venn Diagram 520, the applied gate bias affects only the WS2 layer (capacitor symbol), so only the WS2 layer in the heterojunction band diagram is Fermi Show level shift.

게이트 바이어스와 관련된 WS2의 페르미 레벨 이동은 도 7a 내지 도 7d를 이용하여 보충 설명한다.The Fermi level shift of WS 2 related to the gate bias will be additionally described using FIGS. 7A to 7D .

에너지 밴다이어그램(500)은 백색광(52 μW cm-2), VOC와 함께 광기전 효과를 나타낸다.The energy venn diagram 500 shows the photovoltaic effect with white light (52 μW cm −2 ) and V OC .

에너지 밴다이어그램(510)은 WSe2와 WS2의 밴드 오프셋이 에너지 밴다이어그램(500)보다 작아서 VOC가 거의 사라짐을 보여줍니다.The energy venn diagram (510) shows that the band offsets of WSe 2 and WS 2 are smaller than the energy venn diagram (500), so that V OC almost disappears.

에너지 밴다이어그램(520)에서 WS2와 WSe2의 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 더 좁아짐에 따라 WSe2와 WS2 간의 전송에는 이전 보고서와 유사한 직접 터널링이 포함됨을 보여준다.As the potential barrier between the conduction bands of WS 2 and WSe 2 in the energy venn diagram 520 becomes narrower, the transmission between WSe 2 and WS 2 includes direct tunneling similar to previous reports.

이종접합 광트랜지스터는 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타날 수 있다.In the heterojunction phototransistor, when a gate bias is applied to the channel layer and the level of the gate bias is less than a threshold level, a photovoltaic effect (V OC ) and an open circuit voltage (V OC ) are generated in the first region corresponding to the pn junction. PVe) may appear.

또한, 이종접합 광트랜지스터는 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, p-n 접합과 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 개방 회로 전압(VOC)이 작아질 수 있다.Also, in the heterojunction phototransistor, when the level of the gate bias is equal to the threshold level, the open circuit voltage V OC may be reduced in the second region between the pn junction and the nn junction.

또한, 이종접합 광트랜지스터는 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성될 수 있다.In addition, in the heterojunction phototransistor, when the gate bias level is greater than the critical level, a direct tunneling effect is generated as the potential barrier between the conduction bands is narrowed in the third region corresponding to the n-n junction. can

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정을 설명하는 도면이다.6A to 6C are diagrams illustrating measurement of photocurrent mapping of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 6a는 이종접합 광트랜지스터의 제2 영역의 천이 상태의 -0.3VG에서 각각 --0.5VD, 0VD, 0.5VD에서 측정된 광전류 매핑 결과를 예시한다.6A illustrates a photocurrent mapping result measured at -0.3V G , -0.5V D , 0V D , and 0.5V D , respectively, of the transition state of the second region of the heterojunction phototransistor.

도 6b는 이종접합 광트랜지스터의 제1 영역의 p-n 접합의 -1 VD에서 각각 -6VG, -1VG 및 -0.9VG에서 측정된 광전류 매핑 결과를 예시한다.FIG. 6B illustrates photocurrent mapping results measured at -6V G, -1V G , and -0.9V G at -1 V D of the pn junction of the first region of the heterojunction phototransistor, respectively.

도 6c는 이종접합 광트랜지스터의 제3 영역의 n-n 접합의 1 VD에서 각각 -0.5VG, -0.3VG 및 -0.2VG에서 측정된 광전류 매핑 결과를 예시한다.FIG. 6C illustrates photocurrent mapping results measured at -0.5V G, -0.3V G , and -0.2V G at 1 V D of the nn junction of the third region of the heterojunction phototransistor, respectively.

도 6a의 이미지(600)를 참고하면 이미지(601)는 강한 광전류(

Figure 112021089058052-pat00005
1 nA)가 중첩 접합 영역이 아닌 WS2와 WSe2의 접촉 라인에서만 관찰됨을 보여준다.Referring to the image 600 of FIG. 6A , the image 601 shows a strong photocurrent (
Figure 112021089058052-pat00005
1 nA) is observed only in the contact line of WS 2 and WSe 2 , not in the overlapping junction area.

광전류 발생 방향은 접촉선에서 WS2 층의 중심으로 확장되는 경향이 있다.The photocurrent generation direction tends to extend from the contact line to the center of the WS 2 layer.

MoS2 층은 접지되고 WSe2 층에만 드레인 바이어스가 인가되기 때문에 역방향 바이어스 방향으로 전위 장벽이 낮은 접촉선은 활성 광전류 생성을 보일 수 있다.Since the MoS 2 layer is grounded and the drain bias is applied only to the WSe 2 layer, a contact line having a low potential barrier in the reverse bias direction can show active photocurrent generation.

이미지(603)과 같이 양의 0.5VD는 WS2 및 MoS2 접촉 라인에서만 광전류를 생성할 수 있다.As shown in image 603, positive 0.5V D can produce photocurrent only on the WS 2 and MoS 2 contact lines.

이러한 결과는 외부 VD가 공핍층의 두께와 위치를 변화시킴을 의미할 수 있다.This result may mean that the external V D changes the thickness and location of the depletion layer.

공핍층의 두께는 외부 VD의 함수인 하기 수학식 4로 확인할 수 있다.The thickness of the depletion layer can be confirmed by Equation 4 below, which is a function of external V D .

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112021089058052-pat00006
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수학식 4에서, w는 공핍층의 두께를 나타내고, Vbi는 여기자 결합(exciton coupling)을 극복하기 위한 에너지를 나타낼 수 있고, VD는 드레인 전압 바이어스를 나타낼 수 있다.In Equation 4, w represents the thickness of the depletion layer, V bi represents energy for overcoming exciton coupling, and V D represents a drain voltage bias.

따라서 이미지(602)와 같이 0VD에서 두 개의 서로 다른 이종접합 접촉선은 서로 다른 방향으로 광전류를 생성하고 WS2 층의 중심에서 점차적으로 사라졌다.Therefore, as shown in image 602, two different heterojunction contact lines at 0 V D generated photocurrents in different directions and gradually disappeared at the center of the WS 2 layer.

이종 접합 구조에서 공핍층의 두께와 공핍층의 비율은 하기 수학식 4를 이용하여 결정할 수 있다.In the heterojunction structure, the thickness of the depletion layer and the ratio of the depletion layer may be determined using Equation 4 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112021089058052-pat00007
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수학식 5에서, wn는 공핍층의 두께를 나타낼 수 있고, N'D 및 N'A는 각각 순 도너 및 억셉터 농도를 나타낼 수 있다.In Equation 5, w n may represent the thickness of the depletion layer, and N'D and N' A may represent the net donor and acceptor concentrations, respectively.

N'D의 값이 증가할수록 wTotal의 감소로 인해 공핍층의 두께 wn이 부족하게 되어 WS2층의 드레인 바이어스에 의해 생성되는 광전류가 빌트인 배리어에 의해 생성되는 광전류보다 크게 증가할 수 있다.As the value of N' D increases, the thickness wn of the depletion layer becomes insufficient due to the decrease in wTotal , and thus the photocurrent generated by the drain bias of the WS 2 layer may increase more than the photocurrent generated by the built-in barrier.

이 현상은 단일 2D 물질 기반 광트랜지스터에서 형성되는 광전류 분포와 일치할 수 있다.This phenomenon can match the photocurrent distribution formed in a single 2D material-based phototransistor.

도 6b의 이미지(610)를 참고하면, 이미지(611)는 각 이종접합 영역에서 WS2 층에 적용된 드레인 바이어스에 의한 PVe(photovoltaic effect)에 의한 광전류(1.9-1.5 nA)를 생성하고, 광전도 효과(PCe)에 의해 유도된 광전류(under 1 nA)는 양단의 접촉선에 생성됨을 나타낸다.Referring to the image 610 of FIG. 6B, the image 611 generates a photocurrent (1.9-1.5 nA) by a photovoltaic effect (PVe) due to a drain bias applied to the WS 2 layer in each heterojunction region, and photoconductivity It shows that the photocurrent (under 1 nA) induced by the effect (PCe) is generated on the contact line at both ends.

반면, 도 6c의 이미지(621)의 n-n접합은 n-n 접합은 약한 공핍 효과로 인해 p-n 접합보다 낮은 단위 광전류를 나타낸다.On the other hand, the n-n junction of the image 621 of FIG. 6C exhibits a lower unit photocurrent than the p-n junction due to a weak depletion effect.

이러한 결과는 낮은 단위 광전류가 전자 추출에 효과적이나 p-n 접합에 비해 정공 추출이 충분하지 않다는 것을 나타낸다.These results indicate that the low unit photocurrent is effective for electron extraction but not sufficient for hole extraction compared to the p–n junction.

도 6b의 이미지(612) 및 이미지(613)의 -1 VG 및 -0.9 VG 조건에서 PVe에 의해 유도된 광전류는 공핍 폭의 감소로 인해 감소한 반면 PCe에 의해 유도된 광전류는 정류 거동보다는 터널링 효과(

Figure 112021089058052-pat00008
109Ω)에 의해 증가한 것을 확인할 수 있다.In the conditions of -1 V G and -0.9 V G in images 612 and 613 of Fig. 6b, the photocurrent induced by PVe decreased due to the decrease in depletion width, whereas the photocurrent induced by PCe exhibited a tunneling rather than a rectifying behavior. effect(
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10 9 Ω).

WS2의 페르미 준위가 전도대에 충분히 가까울 때 MoS2 접촉 영역은 두 번째 다이오드 장벽을 형성하는 것을 확인할 수 있다.When the Fermi level of WS 2 is close enough to the conduction band, the MoS 2 contact area forms a second diode barrier.

도 6c의 이미지(622) 및 이미지(623)은 전도대에서 완전히 퇴화된 WS2의 페르미 준위는 접촉 라인에서 광전류 확산을 유발하는 것을 나타낸다.Images 622 and 623 of FIG. 6C show that the fully degenerated Fermi level of WS 2 in the conduction band induces photocurrent diffusion in the contact line.

도 6a 내지 도 6c를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에서 생성되는 광전류가 게이트 전압의 바이어스에 따라 제어될 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 6A to 6C , it can be confirmed that the photocurrent generated in the heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention can be controlled according to the bias of the gate voltage.

따라서, 본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터에서 n-WS2층에 정전기 도핑에 해당하는 게이트 바이어스를 선택적으로 인가하여 광전류를 생성하기 위한 이종 접합층 사이의 전하 캐리어 균형을 변경함에 따라 전하 균형을 제어할 수 있다.Accordingly, the present invention generates a photocurrent by selectively applying a gate bias corresponding to electrostatic doping to the n-WS 2 layer in a multifunctional two-dimensional heterojunction phototransistor having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure. The charge balance can be controlled by changing the charge carrier balance between the heterojunction layers to do so.

또한, 본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 p-n 접합과 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 따라 광전류 매핑을 수행하여 광전류 유형 및 광전류 생성 위치를 측정할 수 있다.In addition, the present invention can measure the type of photocurrent and the location of photocurrent generation by performing photocurrent mapping along two different diode directions in a p-n junction and an n-n junction in a heterojunction phototransistor.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 대한 어닐링(annealing) 공정을 설명하는 도면이다.7A to 7D are diagrams illustrating an annealing process for a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 7a 및 도 7b는 이종접합 광트랜지스터에서 게이트 바이어스 이중 스위프의 함수로 ±1 VD의 순방향 드레인 바이어스에서 백색 입사광이 52 W cm-1인 전달 곡선을 예시한다.7A and 7B illustrate transfer curves of 52 W cm −1 white incident light at a forward drain bias of ±1 V D as a function of gate bias double sweep in a heterojunction phototransistor.

도 7c 및 도 7d는 0 VD 바이어스에서 동일한 측정 조건에서 태양광 효과를 이해하기 위한 전달 곡선을 예시한다.7c and 7d illustrate transfer curves for understanding the solar effect under the same measurement conditions at 0 V D bias.

도 7a 및 도 7c의 그래프(700) 및 그래프(720)는 대조군이고, 도 7b 및 도 7d의 그래프(710) 및 그래프(730)는 p-형 도핑 및 최적 전하 균형 경향을 나타내는 어닐링 후의 결과이다.Graphs 700 and 720 in FIGS. 7A and 7C are controls, and graphs 710 and 730 in FIGS. 7B and 7D are the results after p-type doping and annealing showing an optimal charge balance trend. .

도 7b 및 도 7d의 그래프(710) 및 그래프(730)의 결과는 WSe2의 홀 특성을 향상시키기 위해 어닐링(annealing) 결과이다.The results of the graphs 710 and 730 of FIGS. 7B and 7D are results of annealing to improve the hole characteristics of WSe 2 .

대기에서 200 ℃의 어닐링은 표면에 WSe2의 자기 제한 산화물 층(WOx)을 형성하여 표면 수용체를 제어할 수 있다.Annealing at 200 °C in air can form a self-limiting oxide layer of WSe 2 (WO x ) on the surface to control surface receptors.

약 1시간 정도의 어닐링 시간이 산화막의 한계에 도달하여 더 이상 특성에 변화가 없음을 확인할 수 있다.It can be seen that the annealing time of about 1 hour reaches the limit of the oxide film, and there is no change in properties any more.

또한, 오존 O3 및 100 ℃ 온도 환경에서 더 강한 홀 특성을 얻을 수 있지만,공기 분위기에서 소자 특성을 평가하기 위해 위에서 설명한 어닐링 조건이 사용될 수 있다.In addition, stronger Hall characteristics can be obtained in ozone O 3 and a temperature environment of 100° C., but the annealing conditions described above can be used to evaluate device characteristics in an air atmosphere.

어닐링 후 충분히 강화된 WSe2의 정공 특성은 WS2와의 계면에서 충분한 공핍층 두께를 형성함으로써 10-8A에서 10-9A의 1차 크기 전류와 관련된 정류 특성을 향상시키는 것이 확인될 수 있다.It can be confirmed that the hole characteristics of WSe 2 sufficiently enhanced after annealing improve the rectification characteristics related to the first magnitude current of 10 −8 A to 10 −9 A by forming a sufficient thickness of the depletion layer at the interface with WS 2 .

또한 광기전력 효과는 정류 전류 특성을 낮추는데, 광전류의 증가와 정류 전류 레벨이 10-12A에서 10-13A로 낮아져 보다 효율적인 p-n 접합이 형성됨을 알 수 있다.In addition, the photovoltaic effect lowers the rectified current characteristics, and it can be seen that a more efficient pn junction is formed as the photocurrent increases and the rectified current level is lowered from 10 −12 A to 10 −13 A.

한편, n-n 접합에 형성되는 2차 다이오드 정류 특성이 10-11A에서 10-10A로 1차 전류가 감소하는 경향도 확인된다.On the other hand, the tendency for the primary current to decrease from 10 -11 A to 10 -10 A of the secondary diode rectification characteristic formed at the nn junction is also confirmed.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정과 관련된 천이 구역(transient zone)을 설명하는 도면이다.8 is a diagram illustrating a transient zone related to photocurrent mapping measurement of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 8의 그래프(800)는 -0.3 VG의 함수로서의 천이 구역의 과도 출력 곡선이고, 라인(801)에 해당하는 -0.5VD, 라인(802)에 해당하는 0VD, 라인(803)에 해당하는 0.5 VD에서 인덱싱된 도 6a 내지 도 6c에 해당될 수 있다.Graph 800 of FIG. 8 is the transient output curve of the transition region as a function of -0.3 V G , with -0.5V D corresponding to line 801 , 0V D corresponding to line 802 and 0V D corresponding to line 803 . 6a to 6c indexed at the corresponding 0.5 V D .

도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 노이즈 전류 측정을 설명하는 도면이다.9A to 9F are views illustrating noise current measurement of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 9a의 그래프(900)는 -1 VD에서 -0.7 VG에서 -0.2 VG까지 헤르츠 함수로서의 잡음 전력 밀도를 나타낸다.Graph 900 of FIG. 9A shows noise power density as a function of Hertz from -1 V D to -0.7 V G to -0.2 V G .

도 9d의 그래프(930)는 1VD에서 0.2VG 및 0.3VG에서 0.7VG까지의 헤리츠 함수로서의 잡음 전력 밀도를 나타낸다.Graph 930 of FIG. 9D shows the noise power density as a Heritz function from 1V D to 0.2V G and from 0.3V G to 0.7V G .

그래프(900) 및 그래프(930)에서 선(901) 및 선(931) 각각은 100Hz 미만의 가이드선이다.Lines 901 and 931 in graphs 900 and 930 are guide lines below 100 Hz, respectively.

1Hz 쵸핑(chopped) 조건에서 광전류 측정이 처리되었으며 선(901) 및 선(931)은 잡음 전력 밀도 수준을 나타낼 수 있다.Photocurrent measurements were processed under 1Hz chopped conditions, and lines 901 and 931 can represent noise power density levels.

도 9b의 그래프(910) 및 도 9e의 그래프(940)는 각각 다이오드 1 및 다이오드 2의 과도 게이트 바이어스 범위에서 ±1 VD의 전송 곡선을 나타낸다.Graph 910 in FIG. 9B and graph 940 in FIG. 9E show transfer curves of ±1 V D in the transient gate bias range of diode 1 and diode 2, respectively.

도 9c의 그래프(920) 및 도 9f의 그래프(950)는 p-n 및 n-n 접합의 -1 VD 및 1 VD 역 바이어스에서 플리커 노이즈 및 샷 노이즈를 나타낸다.Graph 920 in FIG. 9C and graph 950 in FIG. 9F show flicker noise and shot noise at -1 V D and 1 V D reverse bias of the pn and nn junctions.

그래프(910)는 어두운 조건에서 순방향(+1VG) 및 역방향(-1VG) 바이어스에서 게이트 바이어스의 함수로 측정된 pn 접합 다이오드의 전달 곡선을 보여준다.Graph 910 shows the transfer curves of the measured pn junction diode as a function of gate bias at forward (+1V G ) and reverse (-1V G ) biases in dark conditions.

게이트 바이어스의 함수로서의 암전류는 샷 노이즈 및 플리커 노이즈 전류로 변환될 수 있다.Dark current as a function of gate bias can be converted to shot noise and flicker noise currents.

그래프(900)에서 -0.7VG에서 10-10A의 전류 레벨은 10-26A2Hz-1 부근에서 노이즈 플로어 동작을 나타낸다.A current level of 10 -10 A at -0.7V G in graph 900 indicates a noise floor operation around 10 -26 A 2 Hz -1 .

-0.6VG에서 10-9A의 전류 레벨은 서브 로그 선형 피팅(1/f)α에서 플리커 노이즈 전류를 보여주기 시작한다.A current level of 10 -9 A at -0.6V G starts to show a flicker noise current at a sub-log linear fit (1/f)α.

그래프(920)는 게이트 바이어스의 함수로 플리커 노이즈와 샷 노이즈 전류를 비교한 것이다.Graph 920 compares flicker noise and shot noise current as a function of gate bias.

그래프(920)에 따르면 1Hz에서 플리커 노이즈 전류를 추출 가능하고, 플리커 노이즈 크기는 10-10A의 낮은 암전류 범위에서 샷 노이즈보다 10배 더 높은 것을 확인할 수 있다.According to the graph 920, it is possible to extract the flicker noise current at 1 Hz, and it can be confirmed that the flicker noise size is 10 times higher than the shot noise in the low dark current range of 10 -10 A.

암전류가 증가함에 따라 플리커 노이즈 전류는 샷 노이즈의 1000배까지 점차 증가할 수 있다.As the dark current increases, the flicker noise current can gradually increase up to 1000 times the shot noise.

반면에 n-n 접합 다이오드의 암전류(6 × 10-11 A)는 그래프(940)와 같이 p-n 접합 다이오드의 암전류(2 × 10-12 A)보다 훨씬 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 n-n 접합 다이오드의 정류 비율이 좋지 않기 때문이다.On the other hand, it can be confirmed that the dark current (6 × 10 -11 A) of the nn junction diode is much higher than the dark current (2 × 10 -12 A) of the pn junction diode as shown in the graph 940 . This is because the rectification ratio of the nn junction diode is not good.

n-n 접합 소자에서 플리커 노이즈 전류의 동작은 p-n 접합 다이오드의 동작과 유사할 수 있다.The behavior of the flicker noise current in an n-n junction device can be similar to that of a p-n junction diode.

그래프(940)과 같이 0.2VG에서 측정된 플리커 노이즈 전류는 암전류에 반비례하는 것으로 보입니다.As shown in graph 940, the flicker noise current measured at 0.2V G appears to be inversely proportional to the dark current.

채널 표면의 공석과 화학적 트랩은 플리커 노이즈 전류의 크기에 영향을 줄 수 있으며 게이트 전계 효과 다이오드는 섹션에 자세히 설명된 대로 공핍층 두께의 함수로 접합 커패시턴스에 크게 의존할 것으로 예상될 수 있다.Vacancies and chemical traps on the channel surface can affect the magnitude of the flicker noise current, and the gated field-effect diode can be expected to be highly dependent on junction capacitance as a function of depletion layer thickness, as detailed in section .

따라서, 본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 공핍층(depletion layer) 형성과 관련된 전자와 정공의 전하 균형에 따른 플리크 노이즈(flicker noise) 및 숏 노이즈(shot noise)를 측정하여 저차원 반도체를 이용하는 광소자(예: 태양광장치 등)의 신호 대 노이즈 비율을 분석할 수 있다.Therefore, the present invention measures flicker noise and shot noise according to the charge balance of electrons and holes related to the formation of a depletion layer in a heterojunction phototransistor to obtain light using a low-dimensional semiconductor. The signal-to-noise ratio of devices (e.g., photovoltaic devices, etc.) can be analyzed.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 p-n 및 n-n 접합에서 시간 분해 광전류 응답을 설명하는 도면이다.10A and 10B are views illustrating time-resolved photocurrent responses in p-n and n-n junctions of a heterojunction phototransistor according to an embodiment of the present invention.

도 10a의 그래프(1000)는 -3 VG에서 52 uW cm-1의 백색 입사광으로 출력되는 것을 나타내고, 위반 영역은 TRPR(Time-Resolved Photocurrent Response) 측정 영역일 수 있다.The graph 1000 of FIG. 10A shows that white incident light of 52 uW cm -1 is output at -3 V G , and the violation region may be a Time-Resolved Photocurrent Response (TRPR) measurement region.

그래프(1010)는 -1 VD에서 다른 광 입사 전력의 함수로서 전체적인 광 온-오프 동작을 나타낼 수 있다.Graph 1010 can represent the overall light on-off behavior as a function of different light incident powers at -1 V D .

그래프(1020)는 시간 분해 상승 및 감쇠 분석을 위한 확대 이미지를 나타낼 수 있다.Graph 1020 may represent an enlarged image for time resolved rise and fall analysis.

그래프(1030)는 0 VD에서 다른 광 입사 전력의 함수로서 전체 광 온-오프 동작을 나타낼 수 있다.Graph 1030 can represent the overall light on-off operation as a function of different light incident powers at 0 V D .

그래프(1040)는 시간 분해 상승 및 감쇠 분석을 위한 확대 이미지를 나타낼 수 있다.Graph 1040 may represent an enlarged image for time resolved rise and fall analysis.

도 10b의 그래프(1050)를 참고하면, 0 VG에서 52 uW cm-1의 백색 입사광으로 출력될 수 있고, 위반 영역은 TRPR 측정 영역일 수 있다.Referring to the graph 1050 of FIG. 10B , white incident light of 52 uW cm −1 at 0 V G may be output, and the violation region may be a TRPR measurement region.

그래프(1060)은 1 VD에서 다른 광 입사 전력의 함수로서 전체적인 광 온-오프 동작을 나타낼 수 있다.Graph 1060 can represent the overall light on-off behavior as a function of different light incident powers at 1 V D .

그래프(1070)는 시간 분해 상승 및 감쇠 분석을 위한 확대 이미지를 나타낼 수 있다.Graph 1070 may represent an enlarged image for time resolved rise and fall analysis.

도 10a 및 도 10b는 p-n 접합 및 n-n 접합에서의 TRPR 분석을 보여준다.10A and 10B show TRPR analysis at p-n junctions and n-n junctions.

이종접합 광트랜지스터는 외부 전압 적용 및 게이트에 의해 제어될 수 있다.A heterojunction phototransistor can be controlled by applying an external voltage and gate.

외부 전압에 의해 조정된 도 10b는 1단계 광전류 상승(-1 VD)과 2단계 광전류 상승(0 VD)인 광전류 상승 경향의 차이를 나타낸다.FIG. 10B adjusted by an external voltage shows the difference in the photocurrent increase tendency, which is a one-step photocurrent increase (-1 V D ) and a two-step photocurrent increase (0 V D ).

0 VD에서 공핍층의 두께는 -1VD의 반대에서 공핍층 두께보다 얇아 관찰된 서로 다른 광전류 상승 경향의 차이를 보여준다.The thickness of the depletion layer at 0 V D is thinner than the thickness of the depletion layer at the opposite of -1 V D , showing the difference in the observed photocurrent rising trend.

또한, 1VD에서 n-n 접합에서 광전류의 상승 경향은 0VD에서 관찰된 평면 2차 광전류 상승과 다른 현상을 보인다.In addition, the rising trend of the photocurrent in the nn junction at 1V D shows a different phenomenon from the rise of the planar secondary photocurrent observed at 0V D .

n-n 접합의 쇼트키(Schottcky) 접합을 사용하여 주 메뉴 스크립트에 설명된 대로 매우 좁은 공핍층이 형성되었다고 가정하면 TRPR 결과의 일관성이 확인될 수 있다.The consistency of the TRPR results can be confirmed by assuming that a very narrow depletion layer is formed as described in the main menu script using a Schottcky junction of n-n junctions.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.The devices described above may be implemented as hardware components, software components, and/or a combination of hardware components and software components. For example, devices and components described in the embodiments may include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It may be implemented using one or more general purpose or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. A processing device may run an operating system (OS) and one or more software applications running on the operating system.

또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.A processing device may also access, store, manipulate, process, and generate data in response to execution of software. For convenience of understanding, there are cases in which one processing device is used, but those skilled in the art will understand that the processing device includes a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it can include. For example, a processing device may include a plurality of processors or a processor and a controller. Other processing configurations are also possible, such as parallel processors.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.Software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of the foregoing, which configures a processing device to operate as desired or processes independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be any tangible machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device, intended to be interpreted by or provide instructions or data to a processing device. , or may be permanently or temporarily embodied in a transmitted signal wave. The software may be distributed on networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer readable media.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

100: 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치
110: 이종접합 광트랜지스터 120: 광전류 매핑 측정부
130: 노이즈 전류 측정부
100: Photocurrent mapping and noise current measuring device of heterojunction phototransistor
110: heterojunction phototransistor 120: photocurrent mapping measuring unit
130: noise current measuring unit

Claims (14)

기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지고, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 이종접합 광트랜지스터;
상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 광전류 매핑 측정부; 및
상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 노이즈 전류 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치.
A gate layer is formed on the substrate, a channel layer is formed of WS 2 on the formed gate layer, a drain layer is formed of WSe 2 on the channel layer, and a source layer is formed of MOS 2 to form p-WSe 2 a heterojunction phototransistor having a heterojunction structure of /n-WS 2 /n-MoS 2 and controlling a Fermi level of the channel layer by applying a gate bias to the channel layer;
Photocurrent mapping measurement for measuring positions of photocurrent generation in the drain layer, the channel layer, and the source layer by mapping the distribution and direction of the photocurrent generated by the light applied to the heterojunction phototransistor using a laser through scanning photocurrent mapping. wealth; and
and a noise current measurement unit for converting and measuring a dark current according to the direction of the gate bias into a noise current when the light is not applied to the heterojunction phototransistor.
Apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors.
제1항에 있어서,
상기 게이트층은 h-BN으로 형성되고, 상기 h-BN을 통해 상기 게이트 바이어스에 의한 게이트 전계효과는 상기 채널층에 전달되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치.
According to claim 1,
The gate layer is formed of h-BN, and the gate electric field effect by the gate bias is transmitted to the channel layer through the h-BN.
Apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors.
제1항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하며, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합에서 전하 균형이 제어되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치.
According to claim 1,
In the heterojunction phototransistor, the drain layer and the channel layer form a pn junction, the channel layer and the source layer form an nn junction, and a gate bias is applied to the channel layer so that the Fermi level of the channel layer ( Characterized in that the charge balance is controlled at the pn junction and the nn junction as the Fermi level) is controlled
Apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors.
제3항에 있어서,
상기 광전류 매핑 측정부는 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 상기 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행하고, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect, PCe)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치.
According to claim 3,
The photocurrent mapping measuring unit performs scanning photocurrent mapping using the laser in two different diode directions with the pn junction and the nn junction, and a first region corresponding to the pn junction and a third region corresponding to the nn junction It is characterized by generating a photocurrent map that measures and displays the location and size of the photocurrent generated by the photovoltaic effect (PVe) and the location and size of the photocurrent induced by the photoconductive effect (PCe) in the region. to be
Apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors.
제3항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타나고, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 상기 개방 회로 전압(VOC)이 작아지며, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치.
According to claim 3,
The heterojunction phototransistor has an open circuit voltage (V OC ) and a photovoltaic effect in the first region corresponding to the pn junction when the gate bias is lower than the threshold level when the gate bias is applied to the channel layer. (photovoltaic effect, PVe) appears, and when the level of the gate bias is equal to the threshold level, the open circuit voltage (V OC ) is reduced in the second region corresponding to between the pn junction and the nn junction, When the level of the gate bias is greater than the critical level, a direct tunneling effect is generated as a potential barrier between conduction bands in the third region corresponding to the nn junction is narrowed. Characterized in that
Apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors.
제5항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe)보다 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 상기 제3 영역에서 상기 채널층의 전자 농도가 높아지면 상기 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 상기 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치.
According to claim 5,
In the heterojunction phototransistor, when the photovoltaic effect (PVe) is more generated than the photoconductive effect (PCe) in the first region and the electron concentration of the channel layer is increased in the third region, Characterized in that the photoconductive effect (PCe) is more generated than the photovoltaic effect (PVe) due to the influence of a depletion layer at the interface of the source layer
Apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors.
제1항에 있어서,
상기 노이즈 전류 측정부는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 상기 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치.
According to claim 1,
The noise current measurement unit dark current in any one of a first region in which the drain layer and the channel layer form a pn junction and a third region in which the channel layer and the source layer form an nn junction Characterized in that the dark current is converted into a short noise current using electron charge and
Apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors.
제7항에 있어서,
상기 노이즈 전류 측정부는 상기 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 상기 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치.
According to claim 7,
The noise current measurement unit determines the flicker noise current by applying a magnification according to the magnitude of the dark current to the converted short noise current.
Apparatus for photocurrent mapping and noise current measurement of heterojunction phototransistors.
기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지는 이종접합 광트랜지스터에서, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 단계;
광전류 매핑 측정부에서, 상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 단계; 및
노이즈 전류 측정부에서, 상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법.
A gate layer is formed on the substrate, a channel layer is formed of WS 2 on the formed gate layer, a drain layer is formed of WSe 2 on the channel layer, and a source layer is formed of MOS 2 to form p-WSe 2 In a heterojunction phototransistor having a heterojunction structure of the /n-WS 2 /n-MoS 2 structure, controlling a Fermi level of the channel layer by applying a gate bias to the channel layer;
In the photocurrent mapping measuring unit, the distribution and direction of the photocurrent generated by the light applied to the heterojunction phototransistor is mapped using a laser to scan the photocurrent, and thus the location of the photocurrent generation in the drain layer, the channel layer, and the source layer. measuring; and
In a noise current measurement unit, when the light is not applied to the heterojunction phototransistor, converting a dark current according to the direction of the gate bias into a noise current and measuring it
Photocurrent mapping and noise current measurement method of heterojunction phototransistor.
제9항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하며, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합에서 전하 균형이 제어되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법.
According to claim 9,
In the heterojunction phototransistor, the drain layer and the channel layer form a pn junction, the channel layer and the source layer form an nn junction, and a gate bias is applied to the channel layer so that the Fermi level of the channel layer ( Characterized in that the charge balance is controlled at the pn junction and the nn junction as the Fermi level) is controlled
Photocurrent mapping and noise current measurement method of heterojunction phototransistor.
제10항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 단계는,
상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 상기 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행하고, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect, PCe)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법.
According to claim 10,
The step of measuring the location of photocurrent generation in the drain layer, the channel layer, and the source layer by mapping the distribution and direction of the photocurrent generated by the light applied to the heterojunction phototransistor using a laser by scanning photocurrent,
Scanning photocurrent mapping is performed using the laser for two different diode directions with the pn junction and the nn junction, and a photovoltaic effect in a first region corresponding to the pn junction and a third region corresponding to the nn junction generating a photocurrent map that measures and displays the location and size of photocurrent generated by (photovoltaic effect, PVe) and the location and size of photocurrent induced by photoconductive effect (PCe) doing
Photocurrent mapping and noise current measurement method of heterojunction phototransistor.
제10항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타나고, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 상기 개방 회로 전압(VOC)이 작아지며, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법.
According to claim 10,
The heterojunction phototransistor has an open circuit voltage (V OC ) and a photovoltaic effect in the first region corresponding to the pn junction when the gate bias is lower than the threshold level when the gate bias is applied to the channel layer. (photovoltaic effect, PVe) appears, and when the level of the gate bias is equal to the threshold level, the open circuit voltage (V OC ) is reduced in the second region corresponding to between the pn junction and the nn junction, When the level of the gate bias is greater than the critical level, a direct tunneling effect is generated as a potential barrier between conduction bands in the third region corresponding to the nn junction is narrowed. Characterized in that
Photocurrent mapping and noise current measurement method of heterojunction phototransistor.
제12항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe) 보다 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 상기 제3 영역에서 상기 채널층의 전자 농도가 높아지면 상기 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 상기 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법.
According to claim 12,
In the heterojunction phototransistor, when the photovoltaic effect (PVe) is more generated than the photoconductive effect (PCe) in the first region and the electron concentration of the channel layer is increased in the third region, Characterized in that the photoconductive effect (PCe) is more generated than the photovoltaic effect (PVe) due to the influence of a depletion layer at the interface of the source layer
Photocurrent mapping and noise current measurement method of heterojunction phototransistor.
제9항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 단계는,
상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 상기 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환하는 단계; 및
상기 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 상기 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법.
According to claim 9,
When the light is not applied to the heterojunction phototransistor, the step of converting and measuring the dark current according to the direction of the gate bias into noise current,
Dark current and electron charge in any one of a first region in which the drain layer and the channel layer form a pn junction and a third region in which the channel layer and the source layer form an nn junction converting the dark current into a short noise current using charge; and
And determining a flicker noise current by applying a magnification according to the magnitude of the dark current to the converted shot noise current.
Photocurrent mapping and noise current measurement method of heterojunction phototransistor.
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