KR102547881B1 - 단층 2차원 물질의 원자 배열 방향에 따라 전기적 특성이 변화하는 트랜지스터 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단층 2차원 물질 구조체의 원자 배열 방향을 고려하여 제조된 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정 방향에서의 전기적 특성이 우수한 2차원 물질 구조체를 적용한 트랜지스터에 관한 것이다.
Description
본 발명은 단층 2차원 물질 구조체의 원자 배열 방향을 고려하여 제조된 트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특정 방향에서의 전기적 특성이 우수한 2차원 물질 구조체를 적용한 트랜지스터에 관한 것이다.
단층 2차원 물질이 갖는 우수한 특정으로 인하여 대면적 성장기법에 대한 연구가 활발히 진행되면서, 이들의 품질 평가 분석 또한 심층적으로 발전해왔다. 일반적으로 광/전기적 특성 분석과 2차원 물질의 소자의 효율성을 극대화시키기 위하여 전극 접합 문제 등이 고려된다. 그러나, 이러한 분석에서 물질의 방향성을 고려하지 않고 집행되고 있다.
기존의 보고된 MOCVD 합성법을 통하여 성장된 단층 MoS2의 경우 방향성을 고려하지 않은 광학적 특성 및 전기적 특성을 분석하고 있다.
원자 배열에 따라 전기적 및 광학적 특성이 변화하는데, 기존 연구들은 광학적 특성에만 국한적으로 분석했지만, 이 연구는 전기적 특성을 분석하기위해 각도에 따라 전극을 배열하여 전기적 특성을 각도에 따라 분석하였고 원자 배열에 따라 전기적 특성이 변화하는 것을 정확히 분석했다.
High-mobility three-atom-thick semiconducting films with wafer-scale homogeneity Nature 2015, 520, 656-660
본 발명은 SHG와 라만(raman) 분광 방법에 의하여 TMDC 등의 2차원 물질이 가지는 방향성을 확인하고, 이러한 원자배열을 고려하여 전극을 형성함으로써 우수한 전기적 특성을 가지는 트랜지스터 소자를 제공함에 목적이 있다.
해결하고자 하는 과제의 달성을 위하여, 본 발명의 일 형태에 따른 트랜지스터 소자는 대면적 단층 2차원 물질 구조체; 및 상기 2차원 물질 구조체의 원자 배열 방향에 따라 배치되는 전극을 포함한다.
상기 2차원 물질 구조체는 유기금속화학증착법(MOCVD)에 의하여 제조되는 것일 수 있다.
상기 2차원 물질 구조체는 칼코겐 화합물일 수 있으며, 상기 칼코겐 화합물은 zigzag 방향 또는 armchair 방향을 가지는 것일 수 있으며, 상기 칼코겐 화합물은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2 및 WTe2로 이루어진 군에서 선택되는 1이상일 수 있다.
상기 전극의 배치는 라만 스펙트럼 및 2차 조화파(Second-harmonic generation; SHG)의 분석에 따라 결정되는 것일 수 있다.
상기 전극의 배치은 전류 흐름 방향이 상기 원자 배열 방향에 대하여 0 내지 360 °범위 내에서 복수 개의 전극을 30° 내지 45 °의 간격으로 이격시켜 배치하는 것일 수 있다.
상기 전극은 Au, Ti, Cu, Al, Pd 및 Ni으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속 물질일 수 있다.
본 발명의 일 형태에 따르면, 2차원 물질이 가지는 원자배열을 고려하여 전극을 형성함으로써 우수한 전기적 특성을 가지는 트랜지스터 소자를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 2차원 물질의 합성장치의 모식도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편에 대하여 광학 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편의 STEM 이미지를 도 시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편의 라만 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 라만 측정 장치의 모식도를 도시한 것이며, 도 5b는 MoS2의 2차원의 편광된 라만 분광(2D polarized Raman spectroscopy)을 도시한 것이며, 도 5c는 편광의 각도 0 내지 360 °에서의 MoS2의 라만 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편에 대하여 0 내지 90 ° 범위에서의 SHG 이미지를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MoS2 시편에 대한 SHG 강도에 따른 편광 의존성을 도시한 것이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편에 적용한 트랜지스터의 전극 배치의 모식도이다.
도 8b는 도 8a에 대한 IDS-VGS 곡선을 도시한 것이다.
도 8c는 도 8a에 대한 전극 배치에 따른 전자 이동도(Mobility)를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편에 대하여 광학 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편의 STEM 이미지를 도 시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편의 라만 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 라만 측정 장치의 모식도를 도시한 것이며, 도 5b는 MoS2의 2차원의 편광된 라만 분광(2D polarized Raman spectroscopy)을 도시한 것이며, 도 5c는 편광의 각도 0 내지 360 °에서의 MoS2의 라만 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편에 대하여 0 내지 90 ° 범위에서의 SHG 이미지를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 MoS2 시편에 대한 SHG 강도에 따른 편광 의존성을 도시한 것이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편에 적용한 트랜지스터의 전극 배치의 모식도이다.
도 8b는 도 8a에 대한 IDS-VGS 곡선을 도시한 것이다.
도 8c는 도 8a에 대한 전극 배치에 따른 전자 이동도(Mobility)를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐 만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다．
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 형태에 트랜지스터 소자는 대면적 단층 2차원 물질 구조체; 및 상기 2차원 물질 구조체의 원자 배열 방향에 따라 배치되는 전극을 포함한다.
상기 2차원 물질 구조체는 유기금속화학증착법(MOCVD)에 의하여 제조되는 것이며, 원료 물질의 유랑을 조절함으로써 2차원 물질 구조체의 크기를 제어하여 합성할 수 있으며, 유기금속화학증착법에 의하여 제조되는 2차원 물질 구조체의 원자 배열은 임의적으로 성장되어 배열되는 것일 수 있다.
상기 2차원 물질 구조체는 칼코겐 화합물일 수 있으며, 바람직하게는 전이금속 디칼코게나이드(Transition metal dichalcogenide; TMDC)일 수 있으며, TMDC는 구조적으로 적층된 층상 구조를 가지며, xy-평면에서는 매우 강한 공유결합을 형성하고 z-축으로는 약한 반데르발스(van der Waals) 결합을 가져 층과 층 사이의 분리가 용이하여 단층으로 분리될 수 있다.
상기 칼코겐 화합물은 zigzag 방향 및/또는 armchair 방향을 가지는 것일 수 있으며, 바람직하게는 zigzag 방향일 수 있다. 상기 칼코겐 화합물은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2, WTe2로 이루어진 군에서 선택되는 1이상일 수 있다.
상기 전극의 배치는 상기 2차원 물질 구조체의 원자 배열 방향에 따라 배치되는 것으로, 상기 전극의 배치는 상기 원자 배열 방향에 대하여 0 내지 360°범위의 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)을 가지도록 전극을 배치하는 것일 수 있다.
상기 원자 배열 방향은 전기적으로 연결된 두 전극(캐소드 및 애노드)을 상기 2차원 물질 구조체에 대하여 임의로 배치하였을 때 두 전극 사이의 전류가 최대 값을 가질 때의 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)을 상기 원자 배열 방향으로 정의하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 2차원 물질 구조체로서 칼코겐 화합물의 원자들이 zigzag 방향을 원자 배열 방향으로 정의할 수 있다.
또한, 상기 전그의 배치는 라만 스펙트럼 및 2차 조화파(Second-harmonic generation; SHG)의 분석에 따라 결정되는 것일 수 있다. 상기 2차원 물질 구조체의 원자 배열의 분석은 라만 스텍트럼 및 SGH 분석을 통하여 수행하는 것일 수 있으며, 라만 스펙트럼의 경우 피크(peak)의 강도(intensity)가 크게 나타나는 편광 방향을 통하여 상기 원자 배열 방향을 간접적으로 확인하는 것일 수 있으며, SGH 분석의 경우 밝기가 밝아지는 특정 방향을 통하여 상기 원자 배열 방향을 간접적으로 확인할 수 있다. 이에 따라서, 상기의 라만 스펙트럼 및 상기 SGH 분석에 의하여 간접적으로 확인되는 특정 방향의 원자 배열 방향에 따라 전극의 배치를 결정하는 것일 수 있다.
상기 전극 배치는 전자 흐름 방향이 상기 원자 배열 방향에 대하여 0° 내지 360°범위가 되도록 배치되는 것일 수 있으며, 상기 전극 배치는 복수 개의 전극을 이웃하는 전극 사이가 30° 내지 45°의 간격이 되도록 이격시켜 배치하는 것일 수 있다.
상기 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)의 0° 내지 360°범위는 도 8a를 참조하면, 전기적으로 연결된 두 전극(일 전극 및 타 전극)을 상기 2차원 물질 구조체를 사이에 두고 각각 일 직선 상으로 배치하였을 때, 일 전극을 0°로 하고 타 전극을 180°일 때, 일 전극과 타 전극 사이의 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)을 0°로 정의하며, 상기 두 전극(일 전극 및 타 전극)을 기준으로 소정의 각도로 이격되어 추가적으로 배치되는 복수 개의 전극 상의 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)을 0° 내지 360°범위로 정의할 수 있다. 일례로서 2차원 물질 구조체가 칼코겐 화합물인 경우 zigzag 방향을 상기 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향) 0°로 정의하며, zigzag 방향에 대하여 추가적으로 배치되는 두 전극들 사이의 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)이 형성하는 각도 범위가 0° 내지 360°범위일 수 있다.
도 8a를 참조하면, 상기 두 전극(일 전극 및 타 전극)을 기준으로 소정의 각도로 이격되어 추가적으로 배치되는 복수 개의 전극들 사이의 간격은 30°내지 45°일 수 있으며, 바람직하게 30°또는 45°일수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예．MoS
2
의 합성
도 1을 참조하면, 유기금속화학기상증착법(MOCVD method)에 의하여 NaCl 용액 환경 하의 반응챔버 내에서 SiO2층이 형성된 실리콘(Si) 기판을 준비한 후, H2와 Ar 분위기 하에서 원료물질로서 Mo(CO)6와 (CH3)2S를 주입하여 단층(monolayer)의 MoS2 시편(flake)을 합성하였다.
실험예 1. MoS
2
의 모폴로지 분석
실시예에 따라 합성된 것이며 약 1 nm의 두께를 가지는 MoS2 시편에 대하여 광학 현미경 이미지를 도 2에 도시하였으며, MoS2 시편의 STEM 이미지를 도 3에 도시하였다.
도 2를 참조하면, 파란선은 MoS2 시편을 가리키며, 검정색 점(Black dot)은 라만(Raman) 스펙트럼 및 PL 스펙트럼의 방출 위치를 나타내며, 도 2는 스케일바는 5 ㎛이다.
도 3을 참조하면, 도 3의 삽도는 MoS2 시편의 FFT(Fast Furier Transform) 패턴 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, MoS2의 결정 구조가 육각형의 원자로 배열된 형태를 확인할 수 있다.
도 4는 실시예에 따라 합성된 MoS2 시편의 라만 스펙트럼을 도시한 것으로, 405 nm 레이저 다이오드를 이용하여 물질의 진동(vibration) 모드를 관찰하여 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 383 cm-1과 401 cm-1에서 피크(peak)가 관찰되며, 383 cm-1과 401 cm-1에서 피크(peak) 간격이 18 cm-1로서 단층의 MoS2인 것을 확인할 수 있다.
실험예 2. 편광(polarized light)의 각도에 따른 라만스펙트럼 분석
실시예에 따라 합성된 MoS2 시편에 대하여 편광의 각도 0 내지 360 °에 따라 측정된 라만 스펙트럼을 분석하였다.
도 5a에 도시된 편광 라만 측정 장치를 이용하여 분석하였으며, 도 5b에 MoS2의 2차원의 편광된 라만 분광(2D polarized Raman spectroscopy)을 도시하였으며, 도 5c에 편광의 각도 0° 내지 360°에서의 MoS2의 라만 스펙트럼을 도시하였다.
도 5c를 참조하면, 라만 스펙트럼의 경우 피크(peak)의 강도(intensity)가 특정 편광 방향에서 크게 나타나며, 특정한 각도에서 크게 나타나는 결과를 얻었다. 또한 90°각도마다 일정한 패턴을 가지는 강도(intensity) 변화를 보였다. 이는 후술하는 SHG 분석에서도 동일한 방식으로 특정 방향에서 밝기가 밝아지는 것을 확인할 수 있다.
실험예 3. 2차 조화파(Second-harmonic generation; SHG) 분석
실시예에 따라 합성된 MoS2 시편에 대하여 0° 내지 90° 범위에서의 SHG 이미지를 도 6에 도시하였으며, MoS2 시편에 대하여 0° 내지 360° 범위에서 SHG 강도에 따른 편광 의존성을 도 7에 도시하였다.
도 7을 참조하면, 30°, 90°, 150°, 210°, 270°, 330°에서 강한 편광 의존성을 보이며, 60°마다 강한 의존성 관찰되는 것을 확인할 수 있다.
실험예 4. MoS
2
의 전기 및 광학 특성 분석
실시예에 따라 합성된 삼각형의 형태로 성장된 MoS2 시편에 대하여 도 8a 같이 Ti/Au를 전극으로 적용하여 45°의 간격으로 이격시켜 8개의 전극을 방사형으로 배치한 트랜지스터에 적용한 모식도이도, 도 8b는 도 8a에 대한 IDS-VGS 곡선을 도시한 것이며, 도 8c는 도 8a에 대한 전극 배치에 따른 전자 이동도(Mobility)를 도시한 것이다.
도 8a의 8개의 전극을 방사형으로 배치한 트랜지스터는 다음과 같은 방법에 의하여 제작된다. 1) 칼코겐 화합물(MoS2) 시편 준비하고, 2) 전자빔 리소그래피 패턴닝 진행하기 전 전처리 후 PMMA 도포한 후, 3) 패터닝 디자인을 수행하여 전자빔 리소그래피를 진행하며, 4) 현상 후 전자빔 진공증착을 통하여 최적화되 금속(Ti/Au) 사용하여 전극 형성한다.
도 8a를 참조하면, 두 전극을 0°와 180 °로 배치하였을 때에 두 전극 사이의 특정된 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)을 0°로 정의할 수 있으며, 두 전극을 기준으로 추가적으로 배치되는 복수 개의 전극들 사이의 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)의 범위가 0°내지 360 °일 수 있다.
도 8c를 참조하면, 두 전극을 0°와 180 °로 배치하였을 때에 두 전극 사이의 특정된 전자 흐름 방향(또는 전류 흐름 방향)을 0°로 정의하며, 전류 값이 0°일 때 가장 큰 전류 값을 가지는 것일 수 있으며, 해당 방향이 MoS2의 zigzag 방향인 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
Claims (8)
- 대면적 단층 2차원 물질 구조체; 및
상기 2차원 물질 구조체의 원자 배열 방향에 따라 배치되는 전극을 포함하고,
상기 전극의 배치는 전류 흐름 방향이 상기 원자 배열 방향에 대하여 0 °내지 360 ° 범위 내에서 복수 개의 전극을 30° 내지 45 °의 간격으로 이격시켜 배치하는 것인 트랜지스터 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 2차원 물질 구조체는 유기금속화학증착법(MOCVD)에 의하여 제조되는 것인 트랜지스터 소자
- 제1항에 있어서,
상기 2차원 물질 구조체는 칼코겐 화합물인 것인 트랜지스터 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 칼코겐 화합물은 zigzag 방향 또는 armchair 방향을 가지는 것인 트랜지스터 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 칼코겐 화합물은 MoS2, MoSe2, WS2, WSe2, MoTe2 및 WTe2로 이루어진 군에서 선택되는 1이상인 트랜지스터 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 전극의 배치는 라만 스펙트럼 및 2차 조화파(Second-harmonic generation; SHG) 분석에 따라 결정되는 것인 트랜지스터 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전극은 Au, Ti, Cu, Al, Pd 및 Ni으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속 물질인 것인 트랜지스터 소자.
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| KR1020200169019A KR102547881B1 (ko) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | 단층 2차원 물질의 원자 배열 방향에 따라 전기적 특성이 변화하는 트랜지스터 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020200169019A KR102547881B1 (ko) | 2020-12-04 | 2020-12-04 | 단층 2차원 물질의 원자 배열 방향에 따라 전기적 특성이 변화하는 트랜지스터 소자 |
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| KR20220079341A (ko) | 2022-06-13 |
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