KR20130130915A - 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자 및 이를 이용한 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자 및 이를 이용한 반도체 소자에 관한 것으로서, 종래의 단층 전이금속 칼코겐화합물을 바람직하게는 3층 이상의 다층으로 구성하여 자외선에서부터 근적외선에 이르는 넓은 파장대를 흡수하도록 한 발명에 관한 것이다. 이를 위해 층 전이금속 칼코겐화합물에 비해 상대적으로 넓은 파장대의 빛을 흡수하도록 다층 전이금속 칼코겐화합물(Transition Metal Dichalcogenides)로 형성하며, 다층 전이금속 칼코겐화합물에 의해 반도체 채널이 형성되는 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자가 개시된다.
Description
본 발명은 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자 및 이를 이용한 반도체 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래의 단층 전이금속 칼코겐화합물을 바람직하게는 3층 이상의 다층으로 구성하여 자외선에서부터 근적외선에 이르는 넓은 파장대를 흡수하도록 한 발명에 관한 것이다.
전이금속 칼코겐화합물은 어느 것이나 모두 공통된 결정구조로 이루어짐과 동시에 전기적, 자기적 및 광학적으로 큰 이방성을 갖고 각종의 특이한 물성을 나타내는 것으로 종래부터 그 물성의 해명과 응용에 대한 관심이 있어 왔다.
이러한 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 단층 MoS2 포토트랜지스터는 1.8eV의 직접 천이 밴드갭의 특성을 보임으로써 700nm 아래의 파장만 흡수할 수 있는 문제점이 있었으며, 또한, 단층으로 형성하는 경우 대략 1nm의 두께로 인하여 성장 및 증착이 어려운 문제점이 있었다.
2011.12.13일 발표된 단층 MoS2 포토트랜지스터(single-layer MoS2 phototransistors)에 관한 ACS NANO 논문에서는 1.8eV 직접 천이 밴드갭을 갖는 물질의 특성에 관한 논문을 발표하였다. 이와 같은 단층 MoS2 포토트랜지스터에서는 직접 천이 밴드갭에 의해 700nm 이하의 파장대를 흡수할 수 있음을 보이고 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 다층으로 형성함으로써 간접 천이 밴드갭에 의해 광(廣) 대역의 파장을 흡수할 수 있는 발명을 제공하는데 그 목적이 있다.
그러나, 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 본 발명의 목적은, 단층 전이금속 칼코겐화합물에 비해 상대적으로 넓은 파장대의 빛을 흡수하도록 다층 전이금속 칼코겐화합물(Transition Metal Dichalcogenides)로 형성하며, 다층 전이금속 칼코겐화합물에 의해 반도체 채널이 형성되는 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한, 다층 전이금속 칼코겐화합물은, 단층 전이금속 칼코겐화합물에 비해 반도체 밴드갭의 에너지가 더 작음으로써 상대적으로 넓은 파장대의 빛을 흡수하는 것을 특징으로 한다.
또한, 단층 전이금속 칼코겐화합물은 직접 천이 밴드갭에 의해 빛을 흡수하고, 다층 전이금속 칼코겐화합물은 간접 천이 밴드갭에 의해 빛을 흡수하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다층 전이금속 칼코겐화합물은, MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, 및 SnSe2 중 적어도 어느 하나의 화합물인 것을 특징으로 한다.
또한, 다층 전이금속 칼코겐화합물은, 자외선에서 근적외선 영역까지의 파장을 흡수할 수 있는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 목적은 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자에 의해 입사된 빛의 파장에 따라 동작하는 반도체 소자를 제공함으로써 달성될 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면 단층 전이금속 칼코겐화합물에 비해 광대역 파장을 흡수할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 자외선부터 근적외선 파장까지 감지할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명에 의하면 InGaZnO 화합물에 비해 높은 이동성과 게이트 동작 바이어스 전압을 낮출 수 있으며, 발광시 문턱 전압의 이동이 없는 효과가 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 단층 MoS2의 삼차원적 구조를 나타낸 도면이고,
도 2 및 도 3은 단층 MoS2 트랜지스터의 삼차원적 도면이고
도 4는 서로 다른 두께를 가지는 MoS2 결정의 흡수 스펙트럼 도면이고,
도 5는 벌크 MoS2의 밴드 구조를 나타낸 도면이고,
도 6은 직접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 7은 간접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 8은 MoS2 포토트랜지스터의 Id-Vgs 특성곡선이다.
도 1은 단층 MoS2의 삼차원적 구조를 나타낸 도면이고,
도 2 및 도 3은 단층 MoS2 트랜지스터의 삼차원적 도면이고
도 4는 서로 다른 두께를 가지는 MoS2 결정의 흡수 스펙트럼 도면이고,
도 5는 벌크 MoS2의 밴드 구조를 나타낸 도면이고,
도 6은 직접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 7은 간접 천이 밴드갭의 E-k 도면이고
도 8은 MoS2 포토트랜지스터의 Id-Vgs 특성곡선이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
<다층 전이금속 칼코겐화합물 소자의 구성>
2차원 물질은 일차원 물질과 비교했을 때 복잡한 구조를 제조하기가 상대적으로 쉬어 차세대 나노전자소자의 물질로 이용하기에 적합하다. 이러한 2차원 물질 중 2차원 전이금속 칼코겐화합물(2D Transition Metal Dichalcogenides)은 MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, 또는 SnSe2의 화합물로 이루어지며, 이 중에서 단층 MoS2의 구조는 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1에 도시된 바와 같이 단층 MoS2 결정은 수직적으로 쌓여있는 구조이고 단층(single layer)의 두께는 6.5Å으로 반더발스(van der Waals) 상호작용으로부터 층을 형성하고 있다.
단층 MoS2는 1.8eV의 고유 밴드갭을 가지고 있지만 이동성(mobility)은 0.5 ~ 3cm2V-1s-1로 매우 낮은 수준이다. 또한, 그래핀이나 박막 실리콘의 이동성 값과 비교해보았을 때, 밴드갭이 증가하면 이동성이 감소하는 경향이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 상부 게이트는 유전상수가 25 정도로 높은 하프늄 옥사이드(halfnium oxide, HfO2)를 사용하였고, 상부 게이트 아래에 이동성이 200cm2V-1s-1 이상인 단층 MoS2를 부스터(booster)로 이용하였다. 다만, 이러한 공정은 종래 사용되고 있는 TFT(thin film transistor) 공정과는 일치하지 않는 면을 보이고 있다.
이에 비해, 본 발명에서는 상술한 단층에서와 같이 상부 게이트를 하프늄 옥사이드를 사용하지 않고 다층 전이금속 칼코겐화합물을 채널로 사용하여 다층에서 기인하는 전도도의 증가를 통해 이동도를 50cm2V-1s-1로 향상시켰다. 이러한 단일공정으로 이동도를 향상시킴으로써 종래의 TFT 기술과 일치된 공정을 나타낸다.
상술한 단층 MoS2는 도 4의 T2, T3 그래프와 같이 약 700nm 아래의 파장을 흡수할 수 있다. 도 4에 도시된 T1, T2, T3는 MoS2 결정의 두께를 나타내며, 두께는 T1 > T2 > T3 순으로서 T1은 약 40nm, T2는 약 4nm, T3는 약 1nm이다.
도 4 및 도 5에 도시된 흡수 최고점 "A", "B"는 가전자 밴드(valance band) 스핀-궤도 결합으로부터 에너지 분리된 직접 천이 밴드갭에 상응하며, 꼬리 "I"는 간접 천이 밴드갭에 상응한다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이 직접 천이 밴드갭은 가전자대의 에너지 Ev(k)가 전도대의 에너지 Ec(k)와 같은 파수 k로 발생하는 경우이고, 도 7에 도시된 바와 같이 위의 두 에너지가 다른 파수 값에서 생기는 것을 간접 천이 밴드갭이라 한다. 직접 천이 밴드갭은 광 방사 에너지 
에 의해 가전자가 전도대에 직접 천이하지만, 간접 천이 밴드갭은 전도대에 간접 천이하며 그때 에너지 Eph의 포논(phonon)을 발생한다.
따라서, 직접 천이 밴드갭에서의 
이고, 간접 천이 밴드갭에서의 
이다. 이와 같이 간접 천이 밴드갭에서는 Eph가 발생됨으로써 직접 천이 밴드갭에서의 에너지 갭이 1.8eV(단층 MoS2)에서 1.35eV(다층 MoS2)로 낮아지게 된다. 이때 다층은 3층 이상인 경우가 바람직하다.
에너지 갭이 1.8eV에서 1.35eV로 낮아지는 경우에는 다음의 수학식 1에 의해 파장 값이 변하게 된다.
에너지 갭이 1.8eV인 경우보다 1.35eV인 경우, 즉 스몰 밴드갭(small bandgap)인 경우에 파장(
)값이 커지며, 이는 단층 MoS2를 사용하는 경우보다 다층 MoS2를 사용하는 경우 더 넓은 범위의 파장을 흡수할 수 있음을 도 4의 T1, T2, T3 그래프를 통해 알 수 있다.
단층 MoS2의 경우에는 일반적으로 700nm 아래의 파장을 흡수할 수 있으나, 본 발명에 따른 다층 MoS2(바람직하게는 3층 이상)의 경우에는 1000nm 아래의 모든 파장을 흡수할 수 있다. 이는 근적외선(near IR)에서부터 자외선(ultra violet)까지의 파장대를 감지할 수 있음을 의미한다.
상술한 다층 전이금속 칼코겐화합물은 화학기상증착(CVD), PE-CVD, 원자층 증착(ALD), 또는 스퍼터(sputter) 등의 종래의 일반적인 증착방식을 이용하여 다층으로 증착되기 때문에 단층에 비해 대면적 성장이 용이하다.
<반도체 소자의 구성>
도 8에 도시된 바와 같이, 다층 MoS2 포토트랜지스터는 빛이 입사되지 않을 때와 빛이 입사될 때(633nm의 50mWcm-2 강도)의 Id가 약 103 차이가 남을 알 수 있다.
따라서 상술한 다층 전이금속 칼코겐화합물을 채널물질로 이용하여 빛에 반응하여 동작되는 반도체 소자를 구현할 수 있다. 예를 들면 솔라 셀(solar cell), 포토디텍터(photodetector), 광전자 소자, 또는 박막트랜지스터(Thin Film Transitors) 구조, 또는 하이브리드 디바이스(일예로, P-type organic과 N-type 다층 전이금속 칼코겐화합물)를 통한 포토트랜지스터 소자이다.
이상, 본 발명의 일실시예를 참조하여 설명했지만, 본 발명이 이것에 한정되지는 않으며, 다양한 변형 및 응용이 가능하다. 즉, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형이 가능한 것을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
1 : 단층 MoS2 트랜지스터
Claims (6)
- 단층 전이금속 칼코겐화합물에 비해 상대적으로 넓은 파장대의 빛을 흡수하도록 다층 전이금속 칼코겐화합물(Transition Metal Dichalcogenides)로 형성하며,
상기 다층 전이금속 칼코겐화합물에 의해 반도체 채널이 형성되는 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다층 전이금속 칼코겐화합물은,
상기 단층 전이금속 칼코겐화합물에 비해 반도체 밴드갭의 에너지가 더 작음으로써 상대적으로 넓은 파장대의 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 단층 전이금속 칼코겐화합물은 직접 천이 밴드갭에 의해 빛을 흡수하고,
상기 다층 전이금속 칼코겐화합물은 간접 천이 밴드갭에 의해 빛을 흡수하는 것을 특징으로 하는 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다층 전이금속 칼코겐화합물은,
MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2, 및 SnSe2 중 적어도 어느 하나의 화합물인 것을 특징으로 하는 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 다층 전이금속 칼코겐화합물은,
자외선에서 근적외선 영역까지의 파장을 흡수할 수 있는 것을 특징으로 하는 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자.
- 제 1 항에 기재된 다층 전이금속 칼코겐화합물 소자에 의해 입사된 빛의 파장에 따라 동작하는 반도체 소자.
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