KR102631609B1 - 이차원물질 기반 광트랜지스터 및 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
이차원물질 기반 광트랜지스터는 게이트층, 상기 게이트층 상에 형성되고, 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층, 상기 채널층 상에 형성된 소스층, 상기 채널층 상에 형성된 드레인층, 상기 채널층 상에 형성되고, 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층, 및 상기 유전체층 내부에 배치되고, 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 포함할 수 있다. 상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가지고, 상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가질 수 있다.
Description
본 발명은 광트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 이차원물질에 기반하여 다이오트 특성을 가지는 광트랜지스터 및 상기 광트랜지스터의 제조 방법에 관한 것이다.
광전소자는 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하는 소자 및 광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자를 통칭한다.
전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하는 소자로는 LED(light emitting diode), LD(laser diode)와 같은 발광소자(light emitting device)가 있다. 발광소자에 소정의 전기적 신호가 입력되면, 발광층에서 전자와 전공이 결합하면서 빛이 발생할 수 있다.
광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자로는 태양전지, 포토다이오드(photodiode)와 같은 광발전소자(photovoltaic device)가 있다. 광발전소자에 소정의 빛이 조사되면, 광활성층에서 전자와 정공이 분리되면서 전기적 에너지가 발생할 수 있다.
최근 이차원물질인 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)는 우수한 물성과 전기적 특성으로 인하여 다양한 전자 소자 및 광전소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
고효율의 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자를 위하여 광전류 생성 및 전하 균형을 최적화가 필요하다.
또한, 고효율의 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자를 위하여 낮은 암전류를 생성하기 위하여 이상적인 전하 고갈 조건이 필요하다.
그러나, 단일 전이금속 디칼코게나이드의 광전류 생성은 높은 엑시톤(exciton) 결합에너지(~0.897eV)로 인해 엑시톤을 분할하기에 충분한 에너지가 없기 때문에 제한적이다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 단일 전이금속 디칼코게나이드 채널층을 사용하되, 유전체층의 구조를 변형하거나, 상부 전극과 하부 전극의 구조를 변형하여 측면 p-n 접합(lateral p-n junction)을 통해 다이오드 특성을 구현하는 기술이 연구되었다.
본 발명의 일 목적은 단일 이차원물질 채널층을 사용하여 p-n 접합과 동일한 다이오드 특성을 구현한 이차원물질 기반 광트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단일 이차원물질 채널층을 사용하여 p-n 접합과 동일한 다이오드 특성을 구현한 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터는 게이트층, 상기 게이트층 상에 형성되고, 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층, 상기 채널층 상에 형성된 소스층, 상기 채널층 상에 형성된 드레인층, 상기 채널층 상에 형성되고, 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층, 및 상기 유전체층 내부에 배치되고, 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 포함할 수 있다. 상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가지고, 상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체층은 상기 채널층 상에 유전물질이 전사되고, 상기 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점이 상기 유전물질 상에 도핑되고, 상기 유전물질이 상기 양자점 상에 다시 전사되는 공정을 통해 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널층의 상기 이차원물질은 단일 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide)로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체층은 육방정계 질화붕소(h-BN)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 양자점은 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, I-Ⅲ-VI족 반도체 화합물, 및 IV-VI족 반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널층이 제1 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고, 상기 소스층이 제2 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고, 상기 드레인층이 제3 전이금속 디칼코게나이드로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 게이트층은 복수의 게이트 전극을 포함할 수 있다. 이차원물질 기반 광트랜지스터는 상기 복수의 게이트 전극에 별개의 게이트 전압이 인가됨으로써, 국부적인 영역에서 다이오드 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법은 게이트층을 형성하는 단계, 상기 게이트층 상에 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층을 형성하는 단계, 상기 채널층 상에 소스층을 형성하는 단계, 상기 채널층 상에 드레인층을 형성하는 단계, 상기 채널층 상에 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층을 형성하는 단계, 및 상기 유전체층 내부에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 유전체층을 형성하는 단계 및 상기 플로팅 게이트를 형성하는 단계는 상기 채널층 상에 유전물질을 전사하고, 상기 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴을 형성하고, 상기 양자점을 상기 유전물질 상에 도핑하고, 상기 유전물질을 상기 양자점 상에 다시 전사할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가지고, 상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터 및 이의 제조 방법은 단일 이차원물질 채널층 상에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 둘러싸는 유전체층이 형성되고, 유전체층이 커패시터 효과를 가지게 됨으로써, p-n 접합과 동일한 다이오드 특성을 구현할 수 있다.
이차원물질 기반 광트랜지스터 및 이의 제조 방법은 발광 특성 및 흡광 특성이 뛰어난 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 포함함으로써, 광트랜지스터의 광전 효율이 향상될 수 있다.
또한, 이차원물질 기반 광트랜지스터 및 이의 제조 방법은 유전체 상에 다양한 패턴으로 양자점을 도핑할 수 있으므로, 다양한 형태의 광전소자에 적용 가능할 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 이차원물질 기반 광트랜지스터의 기본 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터를 나타내는 광학 이미지이다.
도 4는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터의 다이오드 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터를 나타내는 광학 이미지이다.
도 4는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터의 다이오드 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
본 명세서에 개시된 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
하기에서 다양한 실시예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.
"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.
본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.
어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.
즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.
그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편, 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 기본 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 기본 구조는 게이트층(100), 채널층(200), 소스층(300), 및 드레인층(400)으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 게이트층(100)은 SiO2를 포함하고, 기판 상에 형성될 수 있다. 채널층(200)은 게이트층(100) 상에 형성되고, 이차원물질(예컨대, WSe2)을 포함할 수 있다. 소스층(300)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 드레인층(400)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 도 1에서 보듯이, 소스층(300)과 드레인층(400) 사이에는 일정한 간격이 있을 수 있다.
채널층(200)에 포함된 이차원물질은 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)일 수 있다. 이차원물질인 전이금속 디칼코게나이드는 우수한 물성과 전기적 특성으로 인하여 다양한 전자소자 및 광전소자에 사용될 수 있다.
전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자는 높은 광효율을 갖기 위하여 광전류 생성 및 전하 균형이 최적화될 필요가 있다. 또한, 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자는 낮은 암전류를 생성하기 위하여 이상적인 전하 고갈 조건을 만족할 필요가 있다.
그러나, 단일 전이금속 디칼코게나이드의 경우, 높은 엑시톤(exciton) 결합에너지(~0.897eV)로 인해 광전류 생성이 어렵고, 단일 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자의 구현 난이도가 높다는 문제가 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 단일 이차원물질 채널층(200) 상에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 둘러싸는 유전체층(500)이 형성되고, 유전체층(500)이 커패시터 효과를 가지게 됨으로써, p-n 접합과 동일한 다이오드 특성을 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)를 적용하면, 단일 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자 구현이 가능할 수 있다. 이하, 도 2 내지 도 6을 통해, 단일 전이금속 디칼코게나이드를 이용하여 다이오드 특성을 구현한 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)를 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 구조를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)를 나타내는 광학 이미지이다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 게이트층(100), 채널층(200), 소스층(300), 및 드레인층(400)을 포함하는 도 1의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 기본 구조에서, 유전체층(500), 및 플로팅 게이트(600)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 게이트층(100), 게이트층(100) 상에 형성되고, 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층(200), 채널층(200) 상에 형성된 소스층(300), 채널층(200) 상에 형성된 드레인층(400), 채널층(200) 상에 형성되고, 소스층(300) 및 드레인층(400) 사이에 배치되는 유전체층(500), 및 유전체층(500) 내부에 배치되고, 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 포함할 수 있다.
게이트층(100)은 기판 상에 형성될 수 있다. 게이트층(100)은 SiO2를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 게이트층(100)의 소재는 이에 한정되지 않으며, 게이트층(100)은 다양한 물질을 포함할 수 있다. 게이트층(100)은 게이트 전압이 입력될 수 있다.
채널층(200)은 게이트층(100) 상에 형성될 수 있다. 채널층(200)은 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함할 수 있다. 상기 이차원물질은 단일 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide)로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2 중 어느 하나일 수 있다.
도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 채널층(200)이 WSe2로 구성되는 것으로 예시되었다.
소스층(300)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 소스층(300)은 Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, IZO(Indium Zinc Oxide), 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 소스층(300)은 Pb로 구성될 수 있다. 소스층(300)은 채널층(200) 상에서 드레인층(400)과 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.
드레인층(400)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 드레인층(400)은 Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, IZO(Indium Zinc Oxide), 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 드레인층(400)은 Pb로 구성될 수 있다. 드레인층(400)은 채널층(200) 상에서 소스층(300)과 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.
유전체층(500)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 유전체층(500)은 소스층(300) 및 드레인층(400) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 유전체층(500)은 육방정계 질화붕소(h-BN)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 유전체층(500)은 채널층(200) 상에 유전물질이 전사되고, 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점이 상기 유전물질 상에 도핑되고, 상기 유전물질이 상기 양자점 상에 다시 전사되는 공정을 통해 형성될 수 있다.
플로팅 게이트(600)는 유전체층(500) 내부에 배치될 수 있다. 플로팅 게이트(600)는 양자점이 도핑된 형태일 수 있다.
상기 양자점은 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, I-Ⅲ-VI족 반도체 화합물, 및 IV-VI족 반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 양자점은 황화납(PbS), 셀레늄화납(PbSe), 셀레늄화카드뮴(CdSe), 황화카드뮴(CdS), 텔루륨화카드뮴(CdTe), 비소화인듐(InAs), 및 인화인듐(InP) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 다만, 상기 물질들은 상기 양자점의 일 예시일 뿐, 본 발명의 양자점의 물질 종류를 한정하는 것은 아니다.
유전체층(500) 및 플로팅 게이트(600)는, 채널층(200) 상에 육방정계 질화붕소(h-BN)가 전사되고, 육방정계 질화붕소(h-BN) 상에 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점(예컨대, InP)이 육방정계 질화붕소(h-BN) 상에 도핑되고, 육방정계 질화붕소(h-BN)가 상기 양자점 상에 다시 전사됨으로써 형성될 수 있다.
유전체층(500)은 플로팅 게이트(600) 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가질 수 있다.
예를 들어, 육방정계 질화붕소(h-BN)로 구성된 유전체층(500)의 내부에는 상기 양자점과 전극의 접촉을 방지하여 양자점의 캐리어가 전극을 통해 전류를 발생시키지 않도록 하는 특정 모양의 패턴이 형성되어 있으므로, 상기 양자점을 둘러싸는 육방정계 질화붕소(h-BN)는 커패시터와 같이 동작하여 전기장을 형성할 수 있다.
채널층(200)은 유전체층(500)의 커패시터 효과에 의한 전기장에 기초하여, 페르미 레벨(Fermi level)이 제어될 수 있다. 채널층(200)의 페르미 레벨이 제어됨에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 p-n 접합과 같은 다이오드 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 발광 특성 및 흡광 특성이 뛰어난 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 포함하므로, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 광전 효율이 향상될 수 있다.
또한, 양자점이 유전체층(500) 상에 다양한 패턴으로 도핑될 수 있으므로, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 다양한 형태의 전자소자 또는 광전소자에 적용 가능할 수 있다.
도 4는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 나타내는 그래프이고, 도 5는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 다이오드 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 게이트-소스 전압(VGS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계가 도시된 그래프를 볼 수 있다. 게이트-소스 전압(VGS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계 그래프는 드레인-소스 전압(VDS)이 0.1V, 0.2V, 0.3V인 경우 각각에 대해 도시되어 있다.
도 4에서 보듯이, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 게이트-소스 전압(VGS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계 그래프는 전형적인 광트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 5를 참조하면, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 드레인-소스 전압(VDS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계가 도시된 그래프를 볼 수 있다. 드레인-소스 전압(VDS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계 그래프는 게이트-소스 전압(VGS)이 -4V, -3V, -2V, -1V, 0V인 경우 각각에 대해 도시되어 있다.
도 5에서 보듯이, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 드레인-소스 전압(VDS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계 그래프는 전형적인 광트랜지스터의 다이오드 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 육방정계 질화붕소(h-BN)로 구성된 유전체층(500)의 내부에 양자점이 도핑됨으로써, 상기 양자점을 둘러싸는 유전체층(500)이 커패시터 효과를 가지고, 전기장을 형성할 수 있다.
유전체층(500)의 커패시터 효과에 기초하여 채널층(200)의 페르미 레벨이 제어됨에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 도 4 및 5의 그래프와 같이, 일반적인 광트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 가지며, p-n 접합과 같은 다이오드 특성을 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 게이트층(100)을 형성(S100)하고, 게이트층(100) 상에 이차원 물질을 포함하는 채널층(200)을 형성(S200)하며, 채널층(200) 상에 소스층(300)을 형성(S300)하고, 채널층(200) 상에 드레인층(400)을 형성(S400)하며, 소스층(300) 및 드레인층(400) 사이에 배치되는 유전체층(500)을 형성(S500)하고, 유전체층(500) 내부에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 형성(S600)하는 공정 단계를 통해 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 이차원물질 기반 광트랜지스터 제조 방법은 게이트층(100)을 형성(S100)하는 단계를 포함할 수 있다. 게이트층(100)은 기판 상에 형성될 수 있다. 게이트층(100)은 SiO2를 포함할 수 있다. 게이트층(100)은 게이트 전압이 입력될 수 있다.
일 실시예에서, 이차원물질 기반 광트랜지스터 제조 방법은 게이트층(100) 상에 이차원 물질을 포함하는 채널층(200)을 형성(S200)하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 채널층(200)은 게이트층(100) 상에 형성될 수 있다. 채널층(200)은 이차원 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함할 수 있다. 상기 이차원물질은 단일 전이금속 디칼코게나이드로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 이차원물질 기반 광트랜지스터 제조 방법은 채널층(200) 상에 소스층(300)을 형성(S300)하고, 채널층(200) 상에 드레인층(400)을 형성(S400)하는 단계를 포함할 수 있다.
소스층(300)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 소스층(300)은 Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, IZO(Indium Zinc Oxide), 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 소스층(300)은 Pb로 구성될 수 있다. 소스층(300)은 채널층(200) 상에서 드레인층(400)과 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.
드레인층(400)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 드레인층(400)은 Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, IZO(Indium Zinc Oxide), 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 드레인층(400)은 Pb로 구성될 수 있다. 드레인층(400)은 채널층(200) 상에서 소스층(300)과 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 이차원물질 기반 광트랜지스터 제조 방법은 소스층(300) 및 드레인(400)층 사이에 배치되는 유전체층(500)을 형성(S500)하고, 유전체층(500) 내부에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 형성(S600)하는 단계를 포함할 수 있다.
유전체층(500)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 유전체층(500)은 소스층(300) 및 드레인층(400) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 유전체층(500)은 육방정계 질화붕소(h-BN)를 포함할 수 있다.
플로팅 게이트(600)는 유전체층(500) 내부에 배치될 수 있다. 플로팅 게이트(600)는 양자점이 도핑된 형태일 수 있다.
상기 양자점은 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, I-Ⅲ-VI족 반도체 화합물, 및 IV-VI족 반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
유전체층(500)은 채널층(200) 상에 유전물질이 전사되고, 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점이 상기 유전물질 상에 도핑되고, 상기 유전물질이 상기 양자점 상에 다시 전사되는 공정을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 유전체층(500) 및 플로팅 게이트(600)는, 채널층(200) 상에 육방정계 질화붕소(h-BN)가 전사되고, 육방정계 질화붕소(h-BN) 상에 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점(예컨대, InP)이 육방정계 질화붕소(h-BN) 상에 도핑되고, 육방정계 질화붕소(h-BN)가 상기 양자점 상에 다시 전사됨으로써 형성될 수 있다.
유전체층(500)은 플로팅 게이트(600) 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가질 수 있다.
예를 들어, 육방정계 질화붕소(h-BN)로 구성된 유전체층(500)의 내부에는 상기 양자점과 전극의 접촉을 방지하여 양자점의 캐리어가 전극을 통해 전류를 발생시키지 않도록 하는 특정 모양의 패턴이 형성되어 있으므로, 상기 양자점을 둘러싸는 육방정계 질화붕소(h-BN)는 커패시터와 같이 동작하여 전기장을 형성할 수 있다.
채널층(200)은 유전체층(500)의 커패시터 효과에 의한 전기장에 기초하여, 페르미 레벨(Fermi level)이 제어될 수 있다. 채널층(200)의 페르미 레벨이 제어됨에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 p-n 접합과 같은 다이오드 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 제조 방법에 의하면, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 발광 특성 및 흡광 특성이 뛰어난 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 포함하므로, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 광전 효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 제조 방법에 의하면, 양자점이 유전체층(500) 상에 다양한 패턴으로 도핑될 수 있으므로, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 다양한 형태의 전자소자 또는 광전소자에 적용 가능할 수 있다.
한편, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 단일 전이금속 디칼코게나이드만을 이용한 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)에 한정되지는 않는다.
실시예에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 전이금속 디칼코게나이드로 구성되는 채널층(200), 전이금속 디칼코게나이드로 구성되는 소스층(300), 및 전이금속 디칼코게나이드로 구성되는 드레인층(400)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 채널층(200)이 제1 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고, 소스층(300)이 제2 전이금속 디칼코게나이드로 형성되며, 드레인층(400)이 제3 전이금속 디칼코게나이드로 형성될 수 있다.
여기서, 제1 전이금속 디칼코게나이드, 제1 전이금속 디칼코게나이드, 및 제1 전이금속 디칼코게나이드는 각각 다른 물질일 수 있다.
예를 들어, 채널층(200)은 WS2로 형성되며, 드레인층(400)은 WSe2으로 형성되고, 소스층(300)은 MoS2으로 형성될 수 있다.
이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 p-n-n 이종접합을 가짐으로써, 다이오드 특성을 구현할 수 있다.
또한, 실시예에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 게이트층(100)은 복수의 게이트전극을 포함할 수 있다. 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 상기 복수의 게이트 전극에 별개의 게이트 전압이 인가됨으로써, 국부적인 영역에서도 다이오드 특성을 가질 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 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.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
본 발명은 광트랜지스터 및 광트랜지스터를 포함하는 광발전소자, 광센서, 이미지센서, 광통신 및 태양전지 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명이 적용된 광트랜지스터는 카메라, 스마트폰, CCTV, 인공눈, 리모콘, 광 진단기기 등으로 이용될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 이차원물질 기반 광트랜지스터
100: 게이트층
200: 채널층
300: 소스층
400: 드레인층
500: 유전체층
600: 플로팅 게이트
100: 게이트층
200: 채널층
300: 소스층
400: 드레인층
500: 유전체층
600: 플로팅 게이트
Claims (10)
- 게이트층;
상기 게이트층 상에 형성되고, 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층;
상기 채널층 상에 형성된 소스층;
상기 채널층 상에 형성된 드레인층;
상기 채널층 상에 형성되고, 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층; 및
상기 유전체층 내부에 배치되고, 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 포함하고,
상기 유전체층은 상기 양자점과 전극의 접촉을 방지하여 상기 양자점의 캐리어가 상기 전극을 통해 전류를 발생시키지 않도록 하는 패턴 내부에 상기 양자점이 도핑된 플로팅 게이트가 형성되어, 커패시터와 같이 동작하여 전기장을 형성하는 커패시터 효과를 가지고,
상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가지는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 유전체층은,
상기 채널층 상에 유전물질이 전사되고, 상기 패턴이 형성되며, 상기 양자점이 상기 유전물질 상에 도핑되고, 상기 유전물질이 상기 양자점 상에 다시 전사되는 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 채널층의 상기 이차원물질은 단일 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide)로 구성되는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터. - 제3항에 있어서,
상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 유전체층은 육방정계 질화붕소(h-BN)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 양자점은 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, I-Ⅲ-VI족 반도체 화합물, 및 IV-VI족 반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 채널층이 제1 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고,
상기 소스층이 제2 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고,
상기 드레인층이 제3 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고,
상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고,
상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터. - 제1항에 있어서,
상기 게이트층은 복수의 게이트 전극을 포함하고,
상기 복수의 게이트 전극에 별개의 게이트 전압이 인가됨으로써, 국부적인 영역에서 다이오드 특성을 가지는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터. - 게이트층을 형성하는 단계;
상기 게이트층 상에 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층을 형성하는 단계;
상기 채널층 상에 소스층을 형성하는 단계;
상기 채널층 상에 드레인층을 형성하는 단계;
상기 채널층 상에 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층을 형성하는 단계; 및
상기 유전체층 내부에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 유전체층은 상기 양자점과 전극의 접촉을 방지하여 상기 양자점의 캐리어가 상기 전극을 통해 전류를 발생시키지 않도록 하는 패턴 내부에 상기 양자점이 도핑된 플로팅 게이트가 형성되어, 커패시터와 같이 동작하여 전기장을 형성하는 커패시터 효과를 가지며,
상기 유전체층을 형성하는 단계 및 상기 플로팅 게이트를 형성하는 단계는,
상기 채널층 상에 유전물질을 전사하고, 상기 패턴을 형성하고, 상기 양자점을 상기 유전물질 상에 도핑하고, 상기 유전물질을 상기 양자점 상에 다시 전사하는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가지고, 상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가지는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법.
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