KR20120118566A - 박막 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
본원은, 2차원 반도체 물질을 포함하는 채널층 및 2차원 물질인 그래핀을 포함하는 전극 및 2차원 절연물질을 포함할 수 있는 게이트 절연층을 포함하여 형성된 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
Description
본원은, 2차원 반도체 물질을 포함하는 채널층, 2차원 물질인 그래핀을 포함하는 전극, 및 2차원 절연성 물질을 포함할 수 있는 게이트 절연층을 포함하여 형성된 박막 트랜지스터에 관한 것이다.
급속한 정보화 기술의 진전으로 언제 어디서나 정보를 접할 수 있는 유비쿼터스 컴퓨팅의 시대로 접어들고 있으며, 전자기기의 진화와 더불어 다양한 정보를 인간에게 언제 어디서나 전달하는 정보전달 매체로서 외부충격에 강하며, 휴대하기 편하고, 경략 방형이면서 임의의 형태로 패널구현이 가능하고, 특히 유연하여 종이처럼 접거나 두루마리의 형태까지도 가능한 디스플레이의 개발 필요성이 증대하면서 시대적 요구 및 사회적 필요성에 의해 종래의 디스플레이를 대체할 수 있는 차세대 플렉서블 디스플레이에 대한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있다. 최근의 액정디스플레이(LCD)와 유기발광소자(OLED) 방식의 플렉서블 디스플레이의 개발동향을 살펴보면 능동구동방식으로 전환되고 있는 상황이며, 능동 구동을 위한 구동소자로는 비정질 실리콘 박막 트랜지스터(a-Si Thin Film Transistor; TFT) 및 다결정 실리콘(Poly-Si)을 이용한 초저온 다결정 실리콘 형성 박막 트랜지스터 기술과 펜타센(pentacene), 폴리티오핀(polythiophene) 계열 등의 유기 반도체를 이용한 OTFT(Organic Thin-Film Transistor) 기술이 주요 핵심기술로 자리 잡고 있다.
그러나 향후 플렉서블 디스플레이의 구체적인 시장이 형성되고 시장규모 역시 폭발적으로 증가될 것으로 예측됨에 따라 이에 대응하기 위해서는 경제성, 성능 그리고 신뢰성이 모두 확보되는 기술이 필수적이다. 실리콘 기술은 비정질의 경우, 재료 자체적으로 가지고 있는 낮은 이동도가 문제이고 다결정 실리콘의 경우, 고온의 프로세스가 필요하고 또한 고온을 피하려면 레이저 등의 고가의 공정 과정을 필요로 한다. 유기물 사용의 경우, 내구성이 약하고, 전자이동 속도 등이 현저히 낮으며, 아직도 재료 및 공정 등이 초기 기술 상태이기 때문에 향후에도 소자의 신뢰성 확보가 쉽지 않을 것으로 예상되고 있다. 따라서, 여러 기술의 단점을 두루 극복할 수 있는 새로운 물질을 포함하는 박막 트랜지스터의 개발이 필요하다.
본원은, 2차원 반도체 물질을 포함하는 채널층, 2차원 물질인 그래핀을 포함하는 전극, 및 2차원 절연물질을 포함할 수 있는 게이트 절연층을 포함하여 형성된 박막 트랜지스터를 제공하고자 하며, 상기 본원에 따른 박막 트랜지스터는 우수한 전기적, 광학적 및 기계적 성질을 지닌 2차원 물질을 이용하여 형성됨으로써 신축성, 유연성 및/또는 광투과성을 가질 수 있다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 일 측면은, 2차원 반도체 물질을 포함하는 채널층 및 2차원 물질인 그래핀을 포함하는 전극을 포함하여 형성된 박막 트랜지스터를 제공할 수 있다. 상기 박막 트랜지스터는, 기재의 양 측면 상에 각각 형성된 그래핀 소스/드레인 전극; 상기 그래핀 소스/드레인 전극과 전기적으로 연결되며, 2차원 반도체 물질을 포함하는 채널층; 상기 채널층 상에 형성된 게이트 절연층; 및 상기 게이트 절연층 상에 형성된 그래핀 게이트 전극:을 포함할 수 있다. 본원의 일 측면에 따른 상기 박막 트랜지스터는 채널층 및 전극을 모두 우수한 전기적, 광학적 및 기계적 성질을 지닌 2차원 물질을 이용하여 형성함으로써 유연성 및/또는 투명성을 가질 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 2차원 반도체 물질은 그래핀, 금속 디칼코게나이드(metal dichacogenide), BSCCO(bismuth strontium calcium copper oxide)의 반층(half-layer), CdTe의 단층, GaS, GaSe, GaS1 - xSex, CdI2, PbI2, K2Al4(Si6Al2O28)(OH,F)4, Mg6(Si8O28)(OH)4 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 구현예에 있어서, 상기 금속 디칼코게나이드는 몰리브덴디설파이드(MoS2), 몰리브덴디셀레나이드(MoSe2), 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2), 텅스텐디설파이드(WS2), 텅스텐디셀레나이드(WSe2), 텅스텐디텔루라이드(WTe2), 니오븀디설파이드(NbS2), 니오븀디셀레나이드(NbSe2), 니오븀디텔루라이드(NbTe2), 탄탈륨디설파이드(TaS2), 탄탈륨디셀레나이드(TaSe2), 탄탈륨디텔루라이드(TaTe2), 하프늄디설파이드(HfS2), 하프늄디셀레나이드(HfSe2), 하프늄디텔루라이드(HfTe2), 티타늄디설파이드(TiS2), 티타늄디셀레나이드(TiSe2), 티타늄디텔루라이드(TiTe2) 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기재는 플렉서블 기재 또는 경성(rigid) 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기재는 투명 플렉서블 기재 또는 투명 경성(rigid) 기재를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기재는 BN, Si, SiO2, Si3N4, SiON, SiOF SiOC, HSQ(Hydrogensilsesquioxane), MSQ(methyl silsequioxane), 크세로겔(xerogel), 에어로겔(aerogel), 비정질 카본불화물(a-CF), 블랙 다이아몬드(black diamond), 플라스틱 기재 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 플라스틱 기재는, 예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리실란(polysilane), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리실라잔(polysilazane), 폴리카르보실란(polycarbosilane), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에틸메타크릴레이트 (polyethylmetacrylate), 사이클릭 올레핀 코폴리머(COC), 사이클릭 올레핀 폴리머(COP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리스타이렌(PS), 폴리아세탈(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 퍼플루오로알킬 고분자(PFA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기재로서 플렉서블 기재를 사용함으로써 상기 박막 트랜지스터가 유연성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 기재로서 투명 플렉서블 기재를 사용함으로써 상기 박막 트랜지스터가 투명성 및 유연성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 게이트 절연층은 2차원 절연성 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 2차원 절연성 물질은 h-BN (즉, hexagonal BN)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또 다른 구현예에 있어서, 상기 게이트 절연층은 BN, AlN, TiN, HfN, ZrN, NbN, MoN, CrN, Si3N4, GaN, Al2O3, Bi2O3, CaO, CdO, CdS, CeO2, Cd2O3, In2O3, La2O3, MgF2, MgO, Nd2O3, Sb2O3, SiO2, SnO2, TiO2, ZnO, ZrO2, ZnS 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원에 의하여, 채널층과 전극, 그리고, 필요한 경우, 게이트 절연층 모두를 우수한 전기적, 광학적 및 기계적 성질을 지닌 2차원 물질을 이용하여 형성함으로써 신축성, 유연성 및/또는 광투과성을 가지는 박막 트랜지스터를 제공할 수 있다. 비정질 실리콘과 유기 반도체 박막을 이용한 박막 트랜지스터에 비하여, 상기 2차원 물질을 이용하여 형성되는 본원의 박막 트랜지스터는 우수한 전기전자적 특성을 가지며 신뢰성 확보도 용이하며 또한 신축성, 유연성 및/또는 투명성의 특성을 가질 수 있어, 다양한 디스플레이, 발광다이오드(LED), 액정디스플레이(LCD), 광전변환 소자(Photovoltaic Device), 유기발광소자(OLED), 센서, 메모리, 또는 집적회로와 같은 전기, 전자 디바이스에 응용할 수 있다.
도 1 본원의 일 구현예에 따른 2차원 물질을 이용하여 형성된 박막 트랜지스터의 구조를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
도 1 본원의 일 구현예에 따른 박막 트랜지스터의 구조를 나타낸 개략도이다. 이하에서는 도 1을 참조하여 본원의 일 구현예에 따른 박막 트랜지스터에 대하여 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 박막 트랜지스터는 기재(100)의 양 측면 상에 각각 형성된 그래핀 소스/드레인 전극(110, 120), 상기 그래핀 소스/드레인 전극(110, 120)과 전기적으로 연결되며, 2차원 반도체 물질을 포함하는 채널층(130), 상기 채널층(130) 상에 형성된 게이트 절연층(140); 및 상기 게이트 절연층(140) 상에 형성된 그래핀 게이트 전극(150):을 포함할 수 있다.
상기 기재(100)는 BN, Si, SiO2, Si3N4, SiON, SiOF, SiOC, HSQ(Hydrogensilsesquioxane), MSQ(methyl silsequioxane), 크세로겔(xerogel), 에어로겔(aerogel), 비정질 카본불화물(a-CF), 블랙 다이아몬드(black diamond), 플라스틱 기재 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리실란(polysilane), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리실라잔(polysilazane), 폴리카르보실란(polycarbosilane), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에틸메타크릴레이트 (polyethylmetacrylate), 사이클릭 올레핀 코폴리머(COC), 사이클릭 올레핀 폴리머(COP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리스타이렌(PS), 폴리아세탈(POM : Polyacetal PolyOxyMethylene), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 퍼플루오로알킬 고분자(PFA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 기재로서 플렉서블 기재를 사용함으로써 상기 박막 트랜지스터가 유연성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 플렉서블 기재로서 당업계에 공지된 것이면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 예시한 플라스틱 기재를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 기재로서 투명 플렉서블 기재를 사용함으로써 상기 박막 트랜지스터가 투명성 및 유연성을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 투명 플렉서블 기재로서 당업계에 공지된 것이면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기 예시한 플라스틱 기재들 중 투명성을 가지는 것을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기재로서, 예를 들어, BN 기재를 사용할 경우, 기존 그래핀 전자소자에 주로 쓰던 산화실리콘 대신 흑연과 특성이 비슷하면서 그래핀과 같은 2차원 물질을 이용하면, 그래핀과 같은 2차원 물질, 및 2차원 전자소자의 성능을 크게 높일 수 있다. 산화실리콘은 표면이 거칠고 그래핀의 전하이동을 방해하는 이온이나 불순물들이 있어 그래핀을 트랜지스터나 전자소자로 만들 때 그래핀의 우수한 고유 성능을 떨어뜨려 성능저하의 원인이 된다. 이 문제 때문에 그래핀은 전기전도도와 전자이동속도가 이론적으로 기존 물질에 비해 10 내지 100 배 정도 우수함에도 불구하고 적절한 기재를 찾지 못해 고유 성능을 발휘하는 소자를 만드는 데 한계가 있다. 반면 BN으로 대체한 기재는 그래핀이 본래 가지고 있는 최고 성능을 발휘할 수 있도록 해준다. BN는 흑연과 결정구조뿐만 아니라 물리, 화학적 성질이 비슷한 재료로, `백색흑연'이라고 불리기도 한다. BN 기재 상에 형성되는 박막 트랜지스터는 기존 산화실리콘 이용 박막 트랜지스터에 비해 전자이동속도가 10 내지 30 배 빠르다. 따라서, 테라헤르츠(㎔)급 전자소자 및 트랜지스터 상용화할 수 있다.
한편, 경우에 따라 기재(100) 양측면 상에 그래핀 소스/드레인 전극(110, 120) 형성하기 전에 기재(100)와 그래핀 소스/드레인 전극(110, 120)과의 밀착성을 높이기 위해 기재 표면에 플라즈마 처리 등의 활성화 처리를 수행할 수도 있다.
상기 기재(100) 양측면 상에 각각 형성된 그래핀 소스/드레인 전극(110, 120)은 플렉서블하고 투명한 전극으로서 제공될 수 있다. 2차원 물질인 그래핀은 전기적, 기계적, 화학적인 특성이 매우 안정적이고 뛰어날 뿐 아니라 우수한 전도성 물질로서 실리콘보다 100 배 빠르게 전자를 이동시키며 구리보다도 약 100 배 가량 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 또한, 그래핀은 하나의 원자층을 가진 안정적인 2차원 물질이고, 상대적으로 가벼운 원소인 탄소만으로 이루어져 1차원 또는 2차원 나노패턴을 가공하기가 매우 용이하다는 장점이 있다. 아울러 수송을 전담하는 전하가 그래핀층 가장자리의 탄소원자 배열에 따라 도체와 반도체 성질을 나타내면서도 두께가 원자 한 개 수준에 불과해 초소형 나노 소자로서의 응용 가능성이 높다. 이를 활용하면 그래핀의 반도체-도체 성질을 조절할 수 있을 뿐 아니라 탄소가 가지는 화학결합의 다양성을 이용해 센서, 메모리 등 광범위한 기능성 소자의 제작도 가능하다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 그래핀은 통상의 그래핀 제조 방법을 이용하여 제조된 것을 사용하거나, 화학 기상 증착법에 의하여 제조되는 그래핀 필름을 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 그래핀을 제조하기 위한 화학기상증착법으로서, 고온 화학기상증착(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition; RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(Inductively Coupled Plasma-Chemical Vapor Deposition; ICP-CVD), 저압 화학기상증착(Low Pressure Chemical Vapor Deposition; LPCVD), 상압 화학기상증착(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition; APCVD), 금속 유기화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 또는 플라즈마 화학기상증착(Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 등의 방법을 포함할 수 있으나, 이제 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 그래핀 소스/드레인 전극(110, 120)은 화학기상증착법에 의하여 합성된 그래핀 필름을 전사한 것일 수 있으며, 이러한 그래핀 필름의 패터닝 및 전사 등의 공정을 이용하여 그래핀 소스/드레인 투명 전극을 용이하게 제조할 수 있고, 이러한 그래핀 전극 또는 투명 전극 패턴을 이용하여 플렉서블, 투명한 박막 트랜지스터를 용이하게 제조할 수 있으며, 특히 상기 박막 트랜지스터를 다양한 플렉서블 투명 전기, 전자 디바이스에 응용할 수 있다
예를 들어, 상기 그래핀 소스/드레인 전극(110, 120)은, 그래핀 성장을 위한 금속 촉매층에 탄소 소스 및 열을 제공하여 화학 기상 증착법에 의하여 성장된 것 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 촉매층은, Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, Ge, 황동(brass), 청동(bronze), 백동 및 스테인레스 스틸(stainless steel) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 금속 촉매층은 박막 형태일 수 있으며, 예를 들어, 1 내지 1000 nm, 1 내지 500 nm, 1 내지 400 nm, 100 내지 400 nm, 100 내지 300 nm 또는 100 내지 200 nm 두께의 박막일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 그래핀 소스/드레인 전극(110, 120)과 전기적으로 연결된 채널층(130)은 2차원 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 2차원 물질이란, 층상의 결정 구조를 가지고 층간이 반데르 발스(vander Waals) 힘으로 결합하고 있는 결정성 물질이다. 2차원 물질은, 1차원 물질과 비교하여, 2차원 물질로부터 복잡한 구조를 제조하는 것은 상대적으로 쉽기 때문에 차세대 나노 전자 소자에 사용하기에 용이하다.
일 구현예에 있어서, 상기 2차원 물질은 그래핀, 금속 디칼코게나이드(metal dichacogenide), BSCCO(bismuth strontium calcium copper oxide)의 반층(half-layer), CdTe의 단층, GaS, GaSe, GaS1 - xSex, CdI2, PbI2, K2Al4(Si6Al2O28)(OH,F)4, Mg6(Si8O28)(OH)4 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 디칼코게나이드는 몰리브덴디설파이드(MoS2), 몰리브덴디셀레나이드(MoSe2), 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2), 텅스텐디설파이드(WS2), 텅스텐디셀레나이드(WSe2), 텅스텐디텔루라이드(WTe2), 니오븀디설파이드(NbS2), 니오븀디셀레나이드(NbSe2), 니오븀디텔루라이드(NbTe2), 탄탈륨디설파이드(TaS2), 탄탈륨디셀레나이드(TaSe2), 탄탈륨디텔루라이드(TaTe2), 하프늄디설파이드(HfS2), 하프늄디셀레나이드(HfSe2), 하프늄디텔루라이드(HfTe2), 티타늄디설파이드(TiS2), 티타늄디셀레나이드(TiSe2), 티타늄디텔루라이드(TiTe2), 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 채널층(130)을 형성하는 방법은 당업계에서 채널층 성장을 위해 통상적으로 사용하는 방법을 특별히 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링(sputtering), MBE(molecular beam epitaxy), 전자빔 증착(e-beam evaporation), 열증착(thermal evaporation), 원자층 에피택시(atomic layer epitaxy; ALE), 펄스 레이저 증착(pulsed laser deposition; PLD), 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD), 졸겔(Sol-Gel), 또는 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 방법에 의해 형성될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 채널층(130)으로서 금속 디칼코게나이드인 몰리브데나이트(MoS2)를 이용하여 박막 트랜지스터를 제조할 경우, 한 자리 숫자의 전압으로 온/오프할 수 있는 박막 트랜지스터를 제작할 수 있다. 고유전율 절연층의 일부 향상된 기능을 결합시킬 수 있고, 로컬 게이트(local gate)를 사용해서 트랜지스터를 턴-오프(turn-off)할 수 있다. 기존의 실리콘과 경쟁할 수 있는 단일층 MoS2의 가장 큰 특성은 실리콘과 구별되는 직접-밴드갭 반도체라는 것인데, 실리콘은 간접 갭(indirect gap)을 가진다. 이것은 전자-홀 쌍 여기를 이용하여 간접 갭 반도체보다 더 쉽게 LED, 태양전지, 광검출기, 기타 포토닉스 장치를 만들 수 있게 한다. 또한, MoS2는 3차원 물질인 실리콘보다 더 적은 부피를 갖는다는 장점을 가진다. 예를 들어, 2 nm 두께의 실리콘 시트에서보다 0.65 nm 두께의 MoS2 시트 내에서 전자들이 훨씬 더 쉽게 이동할 수 있다. 또한, 전통적인 실리콘 트랜지스터보다 대기 상태에서 100,000 배 이상 더 적은 에너지를 소비하는 트랜지스터를 제작할 수 있다. 에너지 갭을 가지고 있는 반도체는 트랜지스터를 온/오프 하는 데 이용될 수 있으며, MoS2의 1.8 eV의 에너지 갭은 이러한 목적에 이상적이다. 이 물질은 200 cm2/Vs 이상의 우수한 전하 이동도(charge mobility)를 가지고 경우에 따라 800 cm2/Vs 까지의 전하 이동도를 가질 수도 있다. 단일층 MoS2는 약 0.65 nm 의 두께를 가지고 있기 때문에 이런 특성을 이용하면 매우 작은 크기의 트랜지스터를 만들 수 있다. 이렇게 만들어진 MoS2 트랜지스터는 실리콘으로 만든 기존의 트랜지스터보다 더 적은 폐열을 발산하는 장점이 있다.
상기 채널층(130)과 적어도 부분적으로 계면을 형성하는 게이트 절연층(140)은 상기 게이트 절연층은 2차원 물질을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 있어서, 상기 게이트 절연층은, BN, AlN, TiN, HfN, ZrN, NbN, MoN, CrN, Si3N4, GaN, Al2O3, Bi2O3, CaO, CdO, CdS, CeO2, Cd2O3, In2O3, La2O3, MgF2, MgO, Nd2O3, Sb2O3, SiO2, SnO2, TiO2, ZnO, ZrO2, ZnS 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 BN은 매우 뛰어난 물리적, 화학적 성질을 가지고 있는 재료로서, 육방정계(hexagonal) 결정형의 h-BN의 경우 큰 전기 저항과 열 전도도를 가지고 있고 열적 안정성을 가지고 있어 반도체 소자에서 절연층으로서 적합하게 사용될 수 있다.
상기 게이트 절연층(140) 상에 형성되어 상기 게이트 절연층(140)과 전기적으로 절연된 그래핀 게이트 전극(150)은 상기 그래핀 소스/드레인 전극(110,120)을 형성하는 방법과 같으므로 이하 중복 기재를 생략한다.
상기 본원의 일 구현예에 따른 박막 트랜지스터는 모두 우수한 전기적, 광학적 및 기계적 성질을 지닌 2차원 물질로 구성됨으로써, 신축성, 유연성 및/또는 광투과성을 가지는 박막 트랜지스터를 제공할 수 있다. 본원의 박막 트랜지스터의 성능은 비정질 실리콘과 유기물 박막 보다 우수하며 신뢰성 확보도 쉽고 또한 신축성, 유연성 및/또는 광투과성 특성도 가지고 있으므로 디스플레이에 상용화되어 발광다이오드(LED), 액정디스플레이(LCD), 광전변환 소자(Photovoltaic Device), 유기발광소자(OLED), 센서, 메모리, 또는 집적회로와 같은 전기, 전자 디바이스에 응용할 수 있다.
이상, 구현예 및 실시예를 들어 본원을 상세하게 설명하였으나, 본원은 상기 구현예 및 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본원의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함이 명백하다.
100: 기재
110: 그래핀 소스 전극
120: 그래핀 드레인 전극
130: 채널층
140: 게이트 절연층
150: 그래핀 게이트 전극
110: 그래핀 소스 전극
120: 그래핀 드레인 전극
130: 채널층
140: 게이트 절연층
150: 그래핀 게이트 전극
Claims (12)
- 기재의 양 측면 상에 각각 형성된 그래핀 소스/드레인 전극;
상기 그래핀 소스/드레인 전극과 전기적으로 연결되며, 2차원 반도체 물질을 포함하는 채널층;
상기 채널층 상에 형성된 게이트 절연층; 및
상기 게이트 절연층 상에 형성된 그래핀 게이트 전극:
을 포함하는, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 2차원 반도체 물질은 그래핀, 금속 디칼코게나이드(metal dichacogenide), BSCCO(bismuth strontium calcium copper oxide)의 반층(half-layer), CdTe의 단층, GaS, GaSe, GaS1 - xSex, CdI2, PbI2, K2Al4(Si6Al2O28)(OH,F)4, Mg6(Si8O28)(OH)4 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 금속 디칼코게나이드는 몰리브덴디설파이드(MoS2), 몰리브덴디셀레나이드(MoSe2), 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2), 텅스텐디설파이드(WS2), 텅스텐디셀레나이드(WSe2), 텅스텐디텔루라이드(WTe2), 니오븀디설파이드(NbS2), 니오븀디셀레나이드(NbSe2), 니오븀디텔루라이드(NbTe2), 탄탈륨디설파이드(TaS2), 탄탈륨디셀레나이드(TaSe2), 탄탈륨디텔루라이드(TaTe2), 하프늄디설파이드(HfS2), 하프늄디셀레나이드(HfSe2), 하프늄디텔루라이드(HfTe2), 티타늄디설파이드(TiS2), 티타늄디셀레나이드(TiSe2), 티타늄디텔루라이드(TiTe2) 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기재는 플렉서블 기재 또는 경성 기재를 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기재는 투명 플렉서블 기재 또는 투명 경성(rigid) 기재를 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기재는 BN, Si, SiO2, Si3N4, SiON, SiOF, SiOC, HSQ(Hydrogensilsesquioxane), MSQ(methyl silsequioxane), 크세로겔(xerogel), 에어로겔(aerogel), 비정질 카본불화물(a-CF), 블랙 다이아몬드(black diamond), 플라스틱 기재, 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기재로서 플렉서블 기재를 사용함으로써 상기 박막 트랜지스터가 유연성을 가지는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 기재로서 투명 플렉서블 기재를 사용함으로써 상기 박막 트랜지스터가 투명성 및 유연성을 가지는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 6 항에 있어서,
상기 플라스틱 기재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리실란(polysilane), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리실라잔(polysilazane), 폴리카르보실란(polycarbosilane), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트(polymethylacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에틸메타크릴레이트 (polyethylmetacrylate), 사이클릭 올레핀 코폴리머(COC), 사이클릭 올레핀 폴리머(COP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리스타이렌(PS), 폴리아세탈(POM : Polyacetal PolyOxyMethylene), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 퍼플루오로알킬 고분자(PFA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 폴리머를 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 2차원 절연성 물질을 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 10 항에 있어서,
상기 2차원 절연성 물질은 h-BN을 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
- 제 1 항에 있어서,
상기 게이트 절연층은 BN, AlN, TiN, HfN, ZrN, NbN, MoN, CrN, Si3N4, GaN, Al2O3, Bi2O3, CaO, CdO, CdS, CeO2, Cd2O3, In2O3, La2O3, MgF2, MgO, Nd2O3, Sb2O3, SiO2, SnO2, TiO2, ZnO, ZrO2, ZnS 및 이들의 조합으로 이루진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 박막 트랜지스터.
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