KR20150051823A - 이차원 물질과 그 형성방법 및 이차원 물질을 포함하는 소자 - Google Patents

이차원 물질과 그 형성방법 및 이차원 물질을 포함하는 소자 Download PDF

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KR20150051823A
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Abstract

이차원 물질요소와 그 형성방법 및 이차원 물질요소를 포함하는 소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 이차원 물질요소는 제1 이차원 물질 및 이에 결합된 제2 이차원 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 이차원 물질과 제2 이차원 물질은 화학 결합될 수 있다. 상기 제1 이차원 물질의 측면에 상기 제2 이차원 물질이 결합될 수 있다. 상기 제1 이차원 물질은 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 이차원 물질은 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함할 수 있다. 상기 이차원 물질요소는 PN 접합 구조를 가질 수 있다. 상기 이차원 물질요소는 밴드갭이 서로 다른 복수의 이차원 물질을 포함할 수 있다.

Description

이차원 물질과 그 형성방법 및 이차원 물질을 포함하는 소자{Two-dimensional material, method of forming the same and device including two-dimensional material}
이차원 물질과 그 형성방법 및 이차원 물질을 포함하는 소자에 관한 것이다.
이차원 물질(two-dimensional material)(2D material)은 원자들이 소정의 결정 구조를 이루고 있는 단층(single-layer) 또는 반층(half-layer)의 고체로, 대표적인 이차원 물질로 그래핀(graphene)이 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 육방정계(hexagonal) 구조를 이루고 있는 단층(단원자층) 구조물이다. 그래핀은 디락 포인트(Dirac point)를 기준으로 대칭적인 밴드 구조를 가질 수 있고, 디락 포인트(Dirac point)에서 전하의 유효 질량(effective mass)이 매우 작기 때문에, 실리콘(Si) 보다 최소 10배 이상(크게는 1000배 이상) 빠른 전하 이동도를 가질 수 있다. 또한, 그래핀은 매우 큰 페르미 속도(Fermi velocity)(VF)를 가질 수 있다. 이러한 그래핀은 기존 소자의 한계를 극복할 수 있는 차세대 소재로 주목받고 있다.
그래핀에 대한 연구를 시작으로 절연성 또는 반도체 특성을 갖는 다양한 이차원 물질에 대한 연구 및 개발이 이루어지고 있다. 이차원 물질에 대한 연구는 일차적으로는 후레이크(flake) 형태에서 기본적인 물성을 파악하고, 대면적 성장을 위한 성장법을 개발하는 방향으로 진행되어 왔다. 또한, 최근에는 서로 다른 이차원 물질을 적층(stack) 하는 기술로 그 영역이 확장되고 있다. 그런데, 이차원 물질을 실제 소자에 적용하기 위해서는, 이차원 물질 간 또는 이차원 물질과 다른 물질 사이의 계면 문제(interface issue) 및 이차원 물질의 전사 문제(transfer issue) 등을 해결할 필요가 있다.
우수한 전기적/물리적 특성을 갖는 이차원 물질요소를 제공한다.
서로 다른 이차원 물질이 화학적으로 결합된 이차원 물질요소를 제공한다.
계면 문제(interface issue)를 해결할 수 있는 이차원 물질요소를 제공한다.
PN 접합 구조를 갖는 이차원 물질요소를 제공한다.
밴드갭(band gap) 조절이 용이한 이차원 물질요소를 제공한다.
밴드갭이 서로 다른 영역들을 포함하는 이차원 물질요소를 제공한다.
상기 이차원 물질요소를 형성하는 방법을 제공한다.
상기 이차원 물질요소를 적용한 소자(반도체소자)를 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질; 및 상기 제1 이차원 물질의 측면에 결합된 것으로, 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질;을 구비하고, 상기 제1 이차원 물질과 제2 이차원 물질은 화학 결합된 이차원 물질요소가 제공된다.
상기 제1 이차원 물질과 제2 이차원 물질은 공유 결합될 수 있다.
상기 제1 이차원 물질과 제2 이차원 물질은 그 결합부에서 연속된 결정구조를 갖도록 원자간 결합된 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질 및 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질 중 적어도 하나는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 하나의 금속 원소와 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함할 수 있다.
상기 제1 이차원 물질과 상기 제2 이차원 물질은 반도체일 수 있다.
상기 제1 이차원 물질은 n형 반도체일 수 있고, 상기 제2 이차원 물질은 p형 반도체일 수 있다. 이 경우, 상기 제1 이차원 물질의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 이차원 물질의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 금속 원소를 포함할 수 있다. 상기 제1 이차원 물질의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 이차원 물질의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 동일한 칼코겐 원소를 포함할 수 있다.
상기 제1 이차원 물질은 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질로 MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2 및 WTe2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 이차원 물질은 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질로 WS2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2 및 NbSe2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 이차원 물질은 MoS2를 포함할 수 있고, 상기 제2 이차원 물질은 WS2를 포함할 수 있다.
상기 제1 이차원 물질과 상기 제2 이차원 물질은 서로 다른 에너지 밴드갭(energy band gap)을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 제1 이차원 물질의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 이차원 물질의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 칼코겐 원소를 포함할 수 있다. 상기 제1 이차원 물질의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 이차원 물질의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 동일한 금속 원소를 포함할 수 있다.
상기 제1 이차원 물질은 MoS2, MoSe2 및 MoTe2 중 하나를 포함할 수 있고, 상기 제2 이차원 물질은 MoS2, MoSe2 및 MoTe2 중 다른 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 이차원 물질은 WS2, WSe2 및 WTe2 중 하나를 포함할 수 있고, 상기 제2 이차원 물질은 WS2, WSe2 및 WTe2 중 다른 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 이차원 물질 양측에 상기 제2 이차원 물질이 구비되거나, 상기 제2 이차원 물질 양측에 상기 제1 이차원 물질이 구비될 수 있다.
복수의 상기 제1 이차원 물질과 복수의 상기 제2 이차원 물질이 패턴화된 구조를 형성할 수 있다.
상기 제1 이차원 물질 또는 제2 이차원 물질의 측면에 결합된 제3 이차원 물질이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 금속 칼코게나이드계 물질의 전구체 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질의 전구체를 포함하는 전구체 용액을 마련하는 단계; 상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하여 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막으로부터 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질을 구비하는 이차원 물질요소를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제2 이차원 물질은 상기 제1 이차원 물질의 측면에 화학 결합된 이차원 물질요소의 제조방법이 제공된다.
상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는 상기 박막을 어닐링하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 어닐링은 300∼2000℃ 정도의 온도로 수행할 수 있다.
상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는 상기 박막이 구비된 챔버 내에 칼코겐계 물질을 주입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 금속 산화물과 제2 금속 산화물을 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및 상기 제1 및 제2 금속 산화물로부터 각각 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 형성하여, 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질을 구비하는 이차원 물질요소를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제2 이차원 물질은 상기 제1 이차원 물질의 측면에 화학 결합된 이차원 물질요소의 제조방법이 제공된다.
상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는 상기 박막이 구비된 챔버 내에 칼코겐계 물질을 주입하는 단계; 및 상기 박막을 어닐링하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 어닐링은 300∼2000℃ 정도의 온도로 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 금속 산화물을 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및 상기 박막의 제1 및 제2 영역으로부터 각각 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 형성하여, 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질을 구비하는 이차원 물질요소를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제2 이차원 물질은 상기 제1 이차원 물질의 측면에 화학 결합된 이차원 물질요소의 형성방법이 제공된다.
상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는 상기 박막의 제1 영역을 제1 칼코겐계 물질과 반응시키는 단계; 및 상기 박막의 제2 영역을 제2 칼코겐계 물질과 반응시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는 상기 박막 상에 상기 제1 영역을 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층을 형성하는 단계; 및 상기 마스크층에 의해 노출된 상기 제1 영역을 상기 제1 이차원 물질로 변화시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는 상기 마스크층을 제거하여 상기 박막의 제2 영역을 노출시키는 단계; 및 상기 박막의 제2 영역을 상기 제2 이차원 물질로 변화시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 다층구조체를 포함하는 반도체소자에 있어서, 상기 다층구조체는 청구항 1에 기재된 이차원 물질요소를 포함하는 반도체층; 및 상기 반도체층의 적어도 일면에 구비된 적어도 하나의 비반도체층;을 포함하는 반도체소자가 제공된다.
상기 다층구조체는 상기 반도체층의 제1면에 구비된 제1 도전층; 및 상기 반도체층의 제2면에 구비된 제2 도전층;을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 다층구조체는 상기 제2 도전층과 이격된 제3 도전층; 및 상기 제2 도전층과 상기 제3 도전층 사이에 구비된 절연층;을 더 포함할 수 있다.
상기 다층구조체는 상기 반도체층의 제1면에 구비된 제1 절연층; 상기 반도체층의 제2면에 구비된 제2 절연층; 상기 제1 절연층을 사이에 두고 상기 반도체층과 대향하는 제1 도전층; 및 상기 제2 절연층을 사이에 두고 상기 반도체층과 대향하는 제2 도전층;을 포함할 수 있다.
상기 다층구조체는 상기 반도체층의 제1면에 구비된 제1 도전층; 상기 제1 도전층과 이격된 제2 도전층; 및 상기 제1 도전층과 상기 제2 도전층 사이에 구비된 절연층;을 포함할 수 있다.
상기 다층구조체는 상기 반도체층과 이격된 제1 도전층; 상기 반도체층과 상기 제1 도전층 사이에 구비된 절연층; 및 상기 반도체층의 제1 및 제2 영역에 각각 접촉된 제2 및 제3 도전층;을 포함할 수 있다.
상기 다층구조체는 상기 반도체층의 제1면에 구비된 절연층; 및 상기 반도체층의 제2면에 구비된 제1 도전층;을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 다층구조체는 상기 절연층을 사이에 두고 상기 반도체층과 대향하는 제2 반도체층; 및 상기 제2 반도체층의 제1 및 제2 영역에 각각 접촉된 제2 및 제3 도전층;을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 비반도체층은 도전성 이차원 물질 및 절연성 이차원 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 PN 접합 구조, PNP 접합 구조 및 NPN 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 에너지 밴드갭이 서로 다른 복수의 이차원 물질을 포함할 수 있다.
상기 반도체소자는 터널링 소자일 수 있다. 이때, 상기 반도체층은 터널링층일 수 있다.
상기 반도체소자는 BJT(binary junction transistor)일 수 있다. 이때, 상기 반도체층은 터널링층일 수 있다.
상기 반도체소자는 배리스터(barristor)일 수 있다. 이때, 상기 반도체층은 채널층일 수 있다.
상기 반도체소자는 FET(field effect transistor)일 수 있다. 이때, 상기 반도체층은 채널층일 수 있다.
상기 반도체소자는 메모리소자일 수 있다. 이때, 상기 반도체층은 전하 트랩층(charge trap layer)일 수 있다.
상기 반도체소자는 다이오드일 수 있다.
상기 반도체소자는 태양전지일 수 있다.
상기 반도체소자는 광검출기(photodetector)일 수 있다.
전기적/물리적 특성이 우수한 이차원 물질요소를 구현할 수 있다.
서로 다른 이차원 물질이 화학 결합된 이차원 물질요소를 구현할 수 있다.
계면 문제를 해결할 수 있는 이차원 물질요소를 구현할 수 있다.
밴드갭이 서로 다른 영역들을 포함하는 이차원 물질요소를 구현할 수 있다.
밴드갭 조절이 용이한 이차원 물질요소를 구현할 수 있다.
상기 이차원 물질요소를 이용하면, 우수한 성능을 갖는 소자(반도체소자)를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 이차원 물질요소를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 이차원 물질요소를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소를 보여주는 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소를 보여주는 단면도이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소를 보여주는 사시도이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소의 형성방법을 보여주는 사시도이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소의 형성방법을 보여주는 사시도이다.
도 13a 내지 도 13e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소의 형성방법을 보여주는 사시도이다.
도 14 내지 도 22는 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 반도체소자를 보여주는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질과 그 형성방법 및 이차원 물질을 포함하는 소자를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소(100)를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 이차원 물질요소(100)는 제1 이차원 물질(M10) 및 제2 이차원 물질(M20)을 포함할 수 있다. 제1 이차원 물질(M10)과 제2 이차원 물질(M20)은 서로 다른 물질일 수 있다. 제1 이차원 물질(M10)은 제1 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질을 포함할 수 있다. 제2 이차원 물질(M20)은 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질일 수 있다. 제1 이차원 물질(M10)의 측면에 제2 이차원 물질(M20)이 접합(결합)될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 이차원 물질(M10, M20)은 측방으로(laterally) 구비되었다고 할 수 있다. 제1 이차원 물질(M10)은 제2 이차원 물질(M20)과 화학 결합될 수 있다. 다시 말해, 제2 이차원 물질(M20)은 제1 이차원 물질(M10)의 측면에 화학적으로 결합될 수 있다. 상기 화학 결합은 "공유 결합"일 수 있다. 따라서, 제1 이차원 물질(M10)은 제2 이차원 물질(M20)과 공유 결합될 수 있다. 제1 이차원 물질(M10)과 제2 이차원 물질(M20)은 그 결합부에서 연속된 결정구조를 갖도록 원자간 결합된 구조를 가질 수 있다.
"화학 결합(chemical bond)"은 원자 또는 원자단의 집합체에서 구성원자들 간에 작용하여 그 집합체를 하나의 단위체로 간주할 수 있게 하는 힘(인력)을 의미한다. 다시 말해, "화학 결합"은 원자들을 연결시켜 분자 또는 결정을 형성시키는 원자 간의 결합을 의미한다. 또 다른 표현으로, "화학 결합"은 두 개 이상의 원자를 포함하는 화학 물질(chemical substance)을 형성하도록 원자들이 결합되는 것을 의미한다. 이러한 화학 결합은 근본적으로 원자들 사이의 정전기적 힘(electrostatic force)에 의해 유발되며, 결합 방식에 따라 결합력이 달라질 수 있다. 본 실시예에서 제1 이차원 물질(M10)과 제2 이차원 물질(M20)은 화학 결합될 수 있고, 여기서, 상기 화학 결합은 공유 결합을 포함할 수 있다. 공유 결합은 결합을 이루는 두 개의 원자 간에 공유된 전자쌍으로부터 유발되는 인력으로, 비교적 강한 결합력을 갖는다. 본 실시예에서 제1 이차원 물질(M10)의 원자와 제2 이차원 물질(M20)의 원자는 화학 결합될 수 있고, 그 결과, 결합부에서 연속된 결정구조를 가질 수 있다. 즉, 이차원 물질요소(100)는 제1 이차원 물질(M10)과 제2 이차원 물질(M20)의 결합부(접합부)를 포함하여 전체적으로 연속된 결정구조를 가질 수 있다.
"화학 결합"과 비교될 수 있는 개념으로 "물리적 콘택"이 있다. 물리적 콘택은, 예컨대, 두 개의 서로 다른 물질층이 각각의 고유 특징을 유지하면서 물리적으로 접촉되어 있는 것으로, 두 물질층 사이의 원자간 결합(화학 결합)이 없으며, 계면에서 불연속적인 구조를 가질 수 있다. 물리적 콘택은 반데르발스 힘(van der Waals force)에 의한 표면 간의 접촉일 수 있다. 따라서, 물리적 콘택의 경우, 상기 계면에 전기적 배리어(barrier)가 형성되고, 이로 인해, 전하(ex, 전자)의 흐름이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에서는 제1 및 제2 이차원 물질(M10, M20)이 화학 결합되어 접합부에서 연속된/깨끗한 결정구조를 가질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 이차원 물질(M10, M20) 간의 계면 문제(interface issue) 없이, 전하(ex, 전자)의 흐름/거동이 원활하게 이루어질 수 있다. 예컨대, 상기 접합부(계면)에서 배리어에 의한 터널링(tunneling) 등의 문제 없이 전하(ex, 전자)의 흐름이 용이하게 이루어질 수 있다. 이와 관련해서, 본 실시예의 이차원 물질요소(100)는 서로 다른 복수의 이차원 물질을 포함하면서도, 계면 문제 없이 우수한 물리적/전기적 특성을 나타낼 수 있다.
도 1의 실시예에서 제1 이차원 물질(M10)은 제1 금속 칼코게나이드계 물질일 수 있고, 제2 이차원 물질(M20)은 제2 금속 칼코게나이드계 물질일 수 있다. 상기 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질일 수 있다. 상기 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질 중 적어도 하나는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다. 상기 TMDC 물질은, 예컨대, MX2 로 표현될 수 있고, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이다. 상기 M은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 등일 수 있고, 상기 X는 S, Se, Te 일 수 있다. 상기 TMDC 물질은, 예컨대, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2 등일 수 있다. 상기 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 MX2 로 표현되지 않을 수도 있다. 일례로, 전이금속인 Cu와 칼코겐 원소인 S의 화합물(전이금속 칼코게나이드 물질)은 CuS로 표현될 수 있다. 이러한 CuS도 이차원 물질일 수 있으므로, 상기 제1 또는 제2 금속 칼코게나이드계 물질로 적용될 수 있다. 다른 경우, 상기 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 비전이금속(non-transition metal)을 포함하는 칼코게나이드 물질일 수도 있다. 상기 비전이금속은, 예컨대, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등일 수 있다. 즉, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등의 비전이금속과 S, Se, Te와 같은 칼코겐 원소의 화합물이 상기 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질로 사용될 수 있다. 상기 비전이금속을 포함하는 칼코게나이드 물질은, 예컨대, SnSe2, GaS, GaSe, GaTe, GeSe, In2Se3, InSnS2 등일 수 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질 중 적어도 하나는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 하나의 금속 원소와 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함한다고 할 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 물질(원소)들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 물질(원소)들이 적용될 수도 있다.
제1 이차원 물질(M10)과 제2 이차원 물질(M20)은 "반도체"일 수 있다. 따라서, 제1 이차원 물질(M10)은 제1 이차원 반도체라 할 수 있고, 제2 이차원 물질(M20)은 제2 이차원 반도체라 할 수 있으며, 이차원 물질요소(100)는 반도체 요소라고 할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 이차원 물질(M10, M20) 중 하나는 p형 반도체일 수 있고, 다른 하나는 n형 반도체일 수 있다. 또는, 제1 및 제2 이차원 물질(M10, M20)은 서로 다른 에너지 밴드갭(energy bandgap)을 가질 수 있다.
또한, 제1 및 제2 이차원 물질(M10, M20) 중 적어도 하나는 p형 도펀트(p-type dopant) 또는 n형 도펀트(n-type dopant)로 도핑될 수 있다. 상기 p형 도펀트 및 n형 도펀트로는 일반적인 이차원 물질에 대한 p형 도펀트 및 n형 도펀트를 사용할 수 있다. 예컨대, 그래핀이나 CNT(carbon nanotube) 등에 사용되는 p형 도펀트 및 n형 도펀트를 본 실시예의 이차원 물질요소(100)에 적용할 수 있다. 상기 p형 도펀트나 n형 도펀트는 이온주입(ion implantation)이나 화학적 도핑(chemical doping) 방식으로 도핑될 수 있다.
예컨대, 상기 p형 도펀트의 소오스로는 NO2BF4, NOBF4, NO2SbF6 등의 이온성 액체(ionic liquid), HCl, H2PO4, CH3COOH, H2SO4, HNO3 등의 산류 화합물(acidic compound), 디클로로디시아노퀴논(dichlorodicyanoquinone)(DDQ), 옥손(oxone), 디미리스토일포스파티딜이노시톨(dimyristoylphosphatidylinositol)(DMPI), 트리플루오로메탄술폰이미드(trifluoromethanesulfoneimide) 등의 유기 화합물(organic compound) 등을 사용할 수 있다. 또는, 상기 p형 도펀트의 소오스로 HPtCl4, AuCl3, HAuCl4, AgOTf(silver trifluoromethanesulfonate), AgNO3, H2PdCl6, Pd(OAc)2, Cu(CN)2 등의 물질을 사용할 수 있다. 상기 n형 도펀트의 소오스로는 치환 또는 비치환된 니코틴아미드의 환원물(a reduction product of a substituted or unsubstituted nicotinamide); 치환 또는 비치환된 니코틴아미드와 화학적으로 결합된 화합물의 환원물(a reduction product of a compound which is chemically bound to a substituted or unsubstituted nicotinamide); 및 두 개 이상의 피리디늄 유도체를 포함하고 하나 이상의 피리디늄 유도체의 질소가 환원된 화합물(a compound comprising at least two pyridinium moieties in which a nitrogen atom of at least one of the pyridinium moieties is reduced) 등을 사용할 수 있다. 예컨대, 상기 n형 도펀트의 소오스는 NMNH(nicotinamide mononucleotide-H), NADH(nicotinamide adenine dinucleotide-H), NADPH(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate-H)를 포함하거나, 비올로겐(viologen)을 포함할 수 있다. 또는, 상기 n형 도펀트의 소오스는 PEI(polyethylenimine) 등의 폴리머를 포함할 수 있다. 또는, 상기 n형 도펀트는 K, Li 등의 알칼리 금속을 포함할 수 있다. 그러나, 여기서 개시한 p형 도펀트와 n형 도펀트 물질(소오스)은 예시적인 것이고, 그 밖에 다양한 물질이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 이차원 물질요소(100A)를 보여주는 도면이다. 본 실시예는 이차원 물질요소(100A)가 PN 접합 구조를 갖는 경우를 보여준다.
도 2를 참조하면, 이차원 물질요소(100A)는 제1 이차원 물질(M11) 및 제2 이차원 물질(M21)을 포함할 수 있다. 제1 이차원 물질(M11) 및 제2 이차원 물질(M21)은 각각 도 1의 제1 이차원 물질(M10) 및 제2 이차원 물질(M20)에 대응될 수 있다. 본 실시예에서 제1 이차원 물질(M11)은 n형 반도체일 수 있고, 제2 이차원 물질(M21)은 p형 반도체일 수 있다. 이 경우, 제1 이차원 물질(M11)의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 제2 이차원 물질(M21)의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 금속 원소를 포함할 수 있다. 또한, 제1 이차원 물질(M11)의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 제2 이차원 물질(M21)의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 동일한 칼코겐 원소를 포함할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 제1 및 제2 이차원 물질(M11, M21)이 동일한 금속 원소를 포함할 수 있고, 서로 다른 칼코겐 원소를 포함할 수도 있다.
제1 이차원 물질(M11)은 제1 금속 원소(M1) 및 제1 칼코겐 원소(X1)를 포함할 수 있고, 제2 이차원 물질(M21)은 제2 금속 원소(M2) 및 제2 칼코겐 원소(X2)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 및 제2 금속 원소(M1, M2)는 전이금속 원소 또는 비전이금속 원소일 수 있다. 제1 금속 원소(M1)와 제2 금속 원소(M2)는 서로 다른 것일 수 있고, 제1 칼코겐 원소(X1)와 제2 칼코겐 원소(X2)는 동일할 수 있다. 금속 칼코게나이드 물질에서 금속 원소가 바뀌면, 도전형(p, n)이 변화될 수 있다. 따라서, 제1 이차원 물질(M11)이 n형이고, 제2 이차원 물질(M21)이 p형인 경우, 이들의 금속 원소는 서로 다를 수 있다. 그러나, 어떤 금속 원소의 경우, 결합된 칼코겐 원소가 바뀌는 것에 의해 도전형(p, n)이 바뀔 수 있다. 따라서, 경우에 따라서는, 제1 금속 원소(M1)와 제2 금속 원소(M2)가 서로 동일하고, 제1 칼코겐 원소(X1)와 제2 칼코겐 원소(X2)가 서로 다를 수 있다.
제1 이차원 물질(M11)은 n형 반도체 특성을 갖는 금속 칼코게나이드계 물질로 MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2 및 WTe2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제2 이차원 물질(M21)은 p형 반도체 특성을 갖는 금속 칼코게나이드계 물질로 WS2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2 및 NbSe2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일례로, 제1 이차원 물질(M11)은 n형 반도체 특성을 갖는 MoS2를 포함할 수 있고, 제2 이차원 물질(M21)은 p형 반도체 특성을 갖는 WS2를 포함할 수 있다. Mo와 W은 같은 족의 금속으로 원자 사이즈의 차이(공유결합 반경 차이: 0.08Å)가 금속(Mo)과 S 사이의 간격(1.54Å)에 비해 매우 작으므로, 중심 금속 원소가 변경되더라도 격자 부정합(lattice mismatch)이 거의 발생하지 않는다. 따라서, MoS2와 WS2가 화학 결합되었을 때, 이들의 결합부(접합부)에는 격자 부정합(lattice mismatch)이 없거나 거의 없을 수 있다. 참고로, Mo와 W의 원자 반경(atomic radius)은 139 picometer(pm)로 같고, Mo의 공유결합 반경(covalent radius)은 154 ± 5 pm 이며, W의 공유결합 반경은 162 ± 7 pm 이다.
아래의 표 1은 n형 반도체 특성을 갖는 금속 칼코게나이드계 물질과 p형 반도체 특성을 갖는 금속 칼코게나이드계 물질의 예를 정리한 것이다.
구분 금속 칼코게나이드계 물질예
n형 반도체 MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2, WTe2
p형 반도체 WS2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2
제1 및 제2 이차원 물질(M11, M21) 중 적어도 하나는 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑될 수 있다. 제1 이차원 물질(M11)이 n형 반도체인 경우, 제1 이차원 물질(M11)에 n형 도펀트를 도핑할 수 있고, 경우에 따라서는, p형 도펀트를 도핑할 수도 있다. 이와 유사하게, 제2 이차원 물질(M21)이 p형 반도체인 경우, 제2 이차원 물질(M21)에 p형 도펀트를 도핑하거나, n형 도펀트를 도핑할 수 있다. 일례로, 제2 이차원 물질(M21)이 WS2(p형)인 경우, p형 도펀트인 AuCl3로 도핑하거나 n형 도펀트인 K로 도핑할 수 있다. 즉, 동일한 타입의 도펀트를 도핑하거나, 반대 타입의 도펀트를 도핑할 수 있다. 상기 반대 타입의 도펀트를 도핑함으로써, 물질의 반도체 타입을 변화시킬 수도 있다.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 이차원 물질요소(100B)를 보여주는 도면이다. 본 실시예는 이차원 물질요소(100B)가 에너지 밴드갭(energy band gap)이 다른 복수의 이차원 물질(M12, M22)을 갖는 경우를 보여준다.
도 3을 참조하면, 이차원 물질요소(100B)는 제1 이차원 물질(M12) 및 제2 이차원 물질(M22)을 포함할 수 있다. 제1 이차원 물질(M12) 및 제2 이차원 물질(M22)은 각각 도 1의 제1 이차원 물질(M10) 및 제2 이차원 물질(M20)에 대응될 수 있다. 본 실시예에서 제1 이차원 물질(M12)과 제2 이차원 물질(M22)은 서로 다른 에너지 밴드갭(energy band gap)(이하, 밴드갭)을 가질 수 있다. 즉, 제1 이차원 물질(M12)은 제1 밴드갭을 가질 수 있고, 제2 이차원 물질(M22)은 상기 제1 밴드갭과 다른 제2 밴드갭을 가질 수 있다. 이 경우, 제1 이차원 물질(M12)의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 제2 이차원 물질(M22)의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 칼코겐 원소를 포함할 수 있다. 또한, 제1 이차원 물질(M12)의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 제2 이차원 물질(M22)의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 동일한 금속 원소를 포함할 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는, 제1 및 제2 이차원 물질(M12, M22)이 서로 다른 금속 원소를 포함할 수도 있다.
제1 이차원 물질(M12)은 제1 금속 원소(M1') 및 제1 칼코겐 원소(X1')를 포함할 수 있고, 제2 이차원 물질(M22)은 제2 금속 원소(M2') 및 제2 칼코겐 원소(X2')를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 칼코겐 원소(X1')와 제2 칼코겐 원소(X2')는 서로 다른 것일 수 있다. 제1 금속 원소(M1')와 제2 금속 원소(M2')는 동일할 수 있지만, 서로 다를 수도 있다. 금속 칼코게나이드 물질에서 칼코겐 원소가 바뀌면, 밴드갭이 변화될 수 있다. 따라서, 서로 다른 칼코겐 원소를 포함하는 제1 및 제2 이차원 물질(M12, M22)을 화학적으로 결합함으로써, 밴드갭이 다른 복수의 영역을 갖는 이차원 물질요소(100B)를 구현할 수 있다.
구체적인 예로, 제1 이차원 물질(M12)은 MoS2, MoSe2 및 MoTe2 중 하나를 포함할 수 있고, 제2 이차원 물질(M22)은 MoS2, MoSe2 및 MoTe2 중 다른 하나를 포함할 수 있다. 또는, 제1 이차원 물질(M12)은 WS2, WSe2 및 WTe2 중 하나를 포함할 수 있고, 제2 이차원 물질(M22)은 WS2, WSe2 및 WTe2 중 다른 하나를 포함할 수 있다. MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2 및 WTe2의 밴드갭 및 반도체 타입(도전형)을 정리하면 아래의 표 2와 같을 수 있다.
물질 밴드갭 (eV) 반도체 타입
MoS2 1.88 n-type
MoSe2 1.57 n-type
MoTe2 1.17 n-type
WS2 1.90 p-type
WSe2 1.66 n-type
WTe2 1.20 n-type
한편, ReSe2의 밴드갭은 1.30 eV 이고, SnSe2의 밴드갭은 1.40 eV 이고, GaS의 밴드갭은 2.40 eV 이고, GaSe의 밴드갭은 2.30 eV 이고, GaTe의 밴드갭은 2.00 eV 이고, GeSe의 밴드갭은 1.60 eV 이고, In2Se3의 밴드갭은 1.41 eV 일 수 있다. 벌크(bulk) CuS의 밴드갭은 1.60 eV 일 수 있고, 벌크(bulk) InSnS2의 밴드갭은 1.45 eV 일 수 있다. ReSe2, SnSe2, GaS, GaSe, GaTe, GeSe, In2Se3, CuS, InSnS2 중 하나가 제1 이차원 물질(M12) 또는 제2 이차원 물질(M22)로 적용될 수도 있다.
본 실시예에서와 같이, 동일 평면상 구조에서 금속 칼코게나이드계 물질의 조성을 변화시키면, 밴드갭이 서로 다른 복수의 영역(즉, 제1 및 제2 이차원 물질)(M12, M22)을 갖는 이차원 물질요소(100B)를 구현할 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 이차원 물질(M12, M22)은 화학 결합되어 있기 때문에, 그 계면에는 전기적 배리어(barrier)가 없거나 거의 없을 수 있다. 제1 및 제2 이차원 물질(M12, M22)의 계면에 전기적 배리어가 존재하더라도, 그 두께는 원자 하나의 두께 정도로 극히 얇기 때문에, 실제로는 배리어와 같이 작용하지 않을 수 있다. 따라서, 이차원 물질요소(100B)는 계면 문제 없이 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 반면, 서로 다른 두 개의 물질(반도체)이 물리적으로 콘택된 경우, 이들의 계면에서 밴드 변형(band bending)이 발생하고 유효한 두께를 갖는 전기적 배리어가 형성되기 때문에, 이로 인해, 전하(ex, 전자)의 흐름이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다.
부가해서, 도 3의 제1 및 제2 이차원 물질(M12, M22) 중 적어도 하나를 p형 도펀트 또는 n형 도펀트로 도핑함으로써, 이들의 특성을 추가적으로 제어할 수 있다. 상기 p형 도펀트 및 n형 도펀트의 종류는 도 1을 참조하여 설명한 바와 동일할 수 있다.
도 1 내지 도 3에서는 단층 구조(이차원 평면 구조)를 갖는 이차원 물질요소(100, 100A, 100B)에 대해 도시하고 설명하였지만, 이차원 물질요소(100, 100A, 100B)의 단층 구조(이차원 평면 구조)가 반복 적층된 구조도 가능하다. 그 일례가 도 4에 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 이차원 물질요소(1000)는 도 1의 단층 구조(이차원 평면 구조)를 갖는 이차원 물질요소(100)(이하, 단위 물질층)이 반복 적층된 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 약 10층 이내의 수 층(few layers)의 단위 물질층(100)이 적층될 수 있다. 경우에 따라, 단위 물질층(100)은 약 100층까지 적층될 수 있다. 단위 물질층(100)의 제1 이차원 물질(M10)은 도 2의 제1 이차원 물질(M11) 또는 도 3의 제1 이차원 물질(M12)과 같을 수 있다. 또한, 단위 물질층(100)의 제2 이차원 물질(M20)은 도 2의 제2 이차원 물질(M21) 또는 도 3의 제2 이차원 물질(M22)과 같을 수 있다.
단위 물질층(100)이 반복 적층되더라도, 이차원 물질의 특성은 유지될 수 있다. 전자 구조적으로, 이차원 물질은 상태 밀도(density of state)(DOS)가 양자 우물 거동(quantum well behavior)을 따르는 물질로 정의될 수 있다. 복수의 단위 물질층(100)이 적층된(약 100층 이하로 적층된) 이차원 물질요소(1000)에서도 상태 밀도(DOS)가 양자 우물 거동(quantum well behavior)을 따를 수 있기 때문에, 이런 관점에서, 도 4의 물질요소(1000)를 "이차원 물질"이라고 할 수 있다.
부가해서, 도 4의 구조에서는 제1 이차원 물질(M10) 상에 다시 제1 이차원 물질(M10)이 적층되고, 제2 이차원 물질(M20) 상에 다시 제2 이차원 물질(M20)이 적층되는 경우에 대해서 도시하고 설명하였지만, 다른 실시예에서는 제1 이차원 물질(M10) 상에 제2 이차원 물질(M20)이 적층될 수 있고, 제2 이차원 물질(M20) 상에 제1 이차원 물질(M10)이 적층될 수 있다. 즉, 랜덤(random)하게 적층되는 구조도 가능하다.
또한, 도 1 내지 도 4에서는 제1 이차원 물질(M10, M11, M12)과 제2 이차원 물질(M20, M21, M22)의 경계부에 "칼코겐 원소"가 존재하는 경우를 도시하였지만, 상기 경계부에 "칼코겐 원소"가 아닌 "금속 원소"가 위치할 수도 있다. 다시 말해, 소정의 "금속 원소"를 기준으로 제1 이차원 물질(M10, M11, M12)과 제2 이차원 물질(M20, M21, M22)이 나눠질 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소(110A)를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 이차원 물질요소(110A)는 제1 내지 제3 이차원 물질(M13, M23, M33)을 포함할 수 있다. 제2 이차원 물질(M23)의 양측에 제1 및 제3 이차원 물질(M13, M33)이 화학 결합될 수 있다. 제1 내지 제3 이차원 물질(M13, M23, M33) 중 적어도 두 개는 서로 다른 반도체 타입(도전형)을 가질 수 있다. 제1 이차원 물질(M13)은 도 2의 제1 이차원 물질(M11)에 대응되고, 제2 이차원 물질(M23)은 도 2의 제2 이차원 물질(M21)에 대응되거나, 그 반대일 수 있다. 제3 이차원 물질(M33)은 제1 이차원 물질(M13)과 동일한 물질 및 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이차원 물질요소(110A)는 PNP 또는 NPN 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 및 제3 이차원 물질(M13, M33)은 p형 반도체이고, 제2 이차원 물질(M23)은 n형 반도체이거나, 그 반대일 수 있다. 도 5에 도시하지는 않았지만, 제1 이차원 물질(M13) 또는 제3 이차원 물질(M33)의 측면에 적어도 하나의 다른 이차원 물질이 더 구비될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소(110B)를 보여주는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 이차원 물질요소(110B)는 제1 내지 제3 이차원 물질(M14, M24, M34)을 포함할 수 있다. 제2 이차원 물질(M24)의 양측에 제1 및 제3 이차원 물질(M14, M34)이 화학 결합될 수 있다. 제1 내지 제3 이차원 물질(M14, M24, M34) 중 적어도 두 개는 서로 다른 밴드갭을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 이차원 물질(M14, M24, M34)은 서로 다른 밴드갭(제1 내지 제3 밴드갭)을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 이차원 물질(M14, M24, M34) 중 하나는 도 3의 제1 이차원 물질(M12)에 대응될 수 있고, 제1 내지 제3 이차원 물질(M14, M24, M34) 중 다른 하나는 도 3의 제2 이차원 물질(M22)에 대응될 수 있다. 제3 이차원 물질(M34)은 제1 및 제2 이차원 물질(M14, M24)과 다른 물질일 수 있다. 구체적인 예로, 이차원 물질요소(110B)는 MoS2-MoSe2-MoTe2 구조를 갖거나, WS2-WSe2-WTe2 구조를 가질 수 있다. 도 6에 도시하지는 않았지만, 제1 이차원 물질(M14) 또는 제3 이차원 물질(M34)의 측면에 적어도 하나의 다른 이차원 물질이 더 구비될 수 있다.
도 5 및 도 6의 단위 구조(단위 물질층)는 도 4에서 설명한 바와 같이 반복 적층될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 이차원 물질요소에서 이종의 이차원 물질들은 다양한 패턴을 형성할 수 있다. 그 예들이 도 7 내지 도 10에 도시되어 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소(111A)를 보여주는 사시도이다. 도 7을 참조하면, 기판(SUB10) 상에 이차원 물질요소(111A)가 구비될 수 있다. 이차원 물질요소(111A)는 복수의 제1 이차원 물질(M15)과 복수의 제2 이차원 물질(M25)이 이차원적으로(평면적으로) 배열되어 있는 구조를 가질 수 있다. 제1 이차원 물질(M15)과 제2 이차원 물질(M25)은 나노스케일(nanoscale) 내지 마이크로스케일(microscale)의 도메인(domain)일 수 있다. 예컨대, 제1 이차원 물질(M15)과 제2 이차원 물질(M25) 각각은 약 10 nm 이상의 폭을 가질 수 있다. 도 7에서는 제1 이차원 물질(M15)과 제2 이차원 물질(M25)을 사각형으로 도시하고, 이들이 규칙적으로 배열된 경우를 도시하였지만, 이는 예시적인 것이고, 제1 및 제2 이차원 물질(M15, M25)의 형태와 배열 방식은 달라질 수 있다. 제1 및 제2 이차원 물질(M15, M25)의 형태는 제한이 없으며, 이들은 불규칙적으로(랜덤하게) 배열될 수도 있다.
도 7에서 제1 및 제2 이차원 물질(M15, M25)은 각각 도 2의 제1 및 제2 이차원 물질(M11, M21)에 대응될 수 있다. 따라서, 제1 이차원 물질(M15)은 n형일 수 있고, 제2 이차원 물질(M25)은 p형일 수 있으며, 이차원 물질요소(111A)는 PN 구조를 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소(112A)를 보여주는 사시도이다. 도 8을 참조하면, 이차원 물질요소(112A)는 제1 이차원 물질(M16)과 제2 이차원 물질(M26)이 교대로 반복 배치된 구조(평면 구조)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 이차원 물질(M16, M26)은 라인 형상을 가질 수 있다. 따라서, 이차원 물질요소(112A)는 줄무늬 패턴(stripe pattern)을 갖는다고 할 수 있다. 제1 및 제2 이차원 물질(M16, M26)은 각각 도 2의 제1 및 제2 이차원 물질(M11, M21)에 대응될 수 있다. 따라서, 제1 이차원 물질(M16)은 n형일 수 있고, 제2 이차원 물질(M26)은 p형일 수 있으며, 이차원 물질요소(112A)는 PN 구조를 가질 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소(112B)를 보여주는 사시도이다. 도 9의 이차원 물질요소(112B)는 도 8과 유사한 구조를 가질 수 있다. 단, 도 9에서 제1 및 제2 이차원 물질(M17, M27)은 각각 도 3의 제1 및 제2 이차원 물질(M12, M22)에 대응될 수 있다. 따라서, 이차원 물질요소(112B)는 밴드갭이 서로 다른 이차원 물질들(M17, M27)이 교대로 반복 배치된 구조를 갖는다고 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소(113B)를 보여주는 사시도이다. 도 10의 이차원 물질요소(113B)는 제1 내지 제3 이차원 물질(M18, M28, M38)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 이차원 물질(M18, M28, M38)은 측방으로 반복 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 이차원 물질(M18, M28, M38)은 서로 다른 밴드갭을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 내지 제3 이차원 물질(M18, M28, M38)은 각각 도 6의 제1 내지 제3 이차원 물질(M14, M24, M34)에 대응될 수 있다.
도 7 내지 도 10에 도시된 패턴은 예시적인 것이고, 패턴의 형태 및 사이즈 등은 다양하게 변화될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소의 형성방법을 설명한다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소의 형성방법을 보여주는 사시도이다.
도 11a를 참조하면, 전구체 용액(PS1)을 마련할 수 있다. 전구체 용액(PS1)은 제1 금속 칼코게나이드계 물질의 전구체(이하, 제1 전구체) 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질의 전구체(이하, 제2 전구체)를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전구체와 제2 전구체를 소정의 용매(유기 용매)에 혼합하여 전구체 용액(PS1)을 마련할 수 있다. 상기 제1 전구체는, 예컨대, n형 반도체 특성을 갖는 금속 칼코게나이드계 물질의 전구체일 수 있고, 상기 제2 전구체는, 예컨대, p형 반도체 특성을 갖는 금속 칼코게나이드계 물질의 전구체일 수 있다. 상기 제1 전구체는 n형 반도체 특성을 갖는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2 및 WTe2 중 하나의 전구체일 수 있고, 상기 제2 전구체는 p형 반도체 특성을 갖는 WS2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2 및 NbSe2 중 하나의 전구체일 수 있다. 일례로, MoS2의 전구체(상기 제1 전구체)로 (NH4)2MoS4를 사용할 수 있고, WS2의 전구체(상기 제2 전구체)로 (NH4)2WS4를 사용할 수 있다. 한편, 상기 용매(유기 용매)로는, 예컨대, DMF(dimethylformamide)를 사용할 수 있다. DMF에 (NH4)2MoS4 및 (NH4)2WS4를 각각 0.125 wt% 씩 혼합하여 전구체 용액(PS1)을 제조할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이고, 상기 제1 및 제2 전구체의 물질 및 용매 종류와 혼합 비율은 달라질 수 있다.
도 11b를 참조하면, 전구체 용액(도 1의 PS1)을 기판(SUB1) 상에 도포하여 박막(10)을 형성할 수 있다. 기판(SUB1)은 반도체 기판, 도전성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예컨대, 기판(SUB1)은 실리콘과 같은 반도체를 포함하거나, Cu, Ni, Fe, Co, Pt, Ru 등과 같은 도전체(금속)를 포함하거나, 실리콘 산화물, 사파이어(sapphire)와 같은 절연체를 포함할 수 있다. 기판(SUB1)의 물질은 특별히 제한되지 않으므로, 다양한 기판이 사용될 수 있다. 박막(10)은 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 바 코팅(bar coating) 등 다양한 코팅 방법으로 형성될 수 있다. 박막(10)은 나노미터(nanometer) 수준(즉, 나노스케일)의 얇은 두께를 가질 수 있다. 박막(10)을 형성하는 동안에, 또는, 박막(10)을 형성한 이후에, 도 11a에서 설명한 용매의 대부분은 박막(10)으로부터 제거될 수 있다.
도 11c를 참조하면, 박막(도 11b의 10)으로부터 이차원 물질층(10A)을 형성할 수 있다. 이차원 물질층(10A)은 상기 제1 전구체로부터 형성된 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질(1A)과 상기 제2 전구체로부터 형성된 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질(2A)로 구성될 수 있다. 제1 이차원 물질(1A)과 제2 이차원 물질(2A)은 화학 결합될 수 있다. 제1 및 제2 이차원 물질(1A, 2A)은 각각 도 2의 제1 및 제2 이차원 물질(M11, M21) 또는 도 7의 제1 및 제2 이차원 물질(M15, M25)에 대응될 수 있다. 제1 이차원 물질(1A)은 n형 반도체이고, 제2 이차원 물질(2A)은 p형 반도체이거나, 그 반대일 수 있다. 이차원 물질층(10A)은 PN 접합 구조를 가질 수 있다.
박막(10)으로부터 복수의 이차원 물질(1A, 2A)이 화학 결합된 이차원 물질층(10A)을 형성하기 위해, 박막(10)에 대한 어닐링(열처리) 공정을 수행할 수 있다. 상기 어닐링 공정은, 예컨대, 300∼2000℃ 정도의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 이러한 어닐링 공정에서 의해, 상기 제1 전구체로부터 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질이 형성될 수 있고, 상기 제2 전구체로부터 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질이 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 전구체가 (NH4)2MoS4인 경우, (NH4)2MoS4에서 (NH4)2가 제거(기화)되고 MoS4가 MoS2로 변화될 수 있다. 그리고, 상기 제2 전구체가 (NH4)2WS4인 경우, (NH4)2WS4에서 (NH4)2가 제거(기화)되고 WS4가 WS2로 변화될 수 있다. 이 경우, 제1 이차원 물질(1A)은 MoS2로 구성될 수 있고, 제2 이차원 물질(2A)은 WS2로 구성될 수 있다. 도 11a 단계에서 전구체 용액(PS1)에 첨가하는 상기 제1 전구체와 제2 전구체의 함유량을 조절하면, 도 11c 단계에서 형성되는 제1 이차원 물질(1A)과 제2 이차원 물질(2A)의 양/면적을 조절할 수 있다. 도 11c에서는 제1 이차원 물질(1A)과 제2 이차원 물질(2A)을 사각형으로 도시하고, 이들이 규칙적으로 배열된 경우를 도시하였지만, 제1 및 제2 이차원 물질(1A, 2A)의 형태는 제한이 없으며, 이들은 불규칙적으로(랜덤하게) 배열될 수도 있다.
상기 박막(10)에 대한 어닐링 단계에서, 박막(10)이 구비된 챔버 내에 소정의 칼코겐계 물질을 주입할 수 있다. 상기 칼코겐계 물질은, 예컨대, S, Se, Te 중 하나를 포함할 수 있다. 만약, 상기 제1 및 제2 전구체가 각각 (NH4)2MoS4 및 (NH4)2WS4인 경우, 상기 칼코겐계 물질은 S(sulfur)를 포함할 수 있다. 상기 어닐링 단계에서 상기 칼코겐계 물질을 주입하면, 제1 및 제2 이차원 물질(1A, 2A)을 보다 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 추가적인 어닐링(열처리) 단계를 더 수행할 수도 있다. 상기 추가적인 어닐링 단계도 300∼2000℃ 정도의 온도에서 수행할 수 있다.
부가해서, 도 11b의 박막(10)을 도 11c의 이차원 물질층(10A)으로 변화시키는 단계에서 1차 어닐링 공정을 수행한 후, 칼코겐계 물질 주입 단계 및 2차 어닐링 공정을 더 수행할 수 있다. 즉, 상기 1차 어닐링 공정을 수행한 후, 반응 챔버(어닐링 챔버) 내에 칼코겐계 물질을 주입하면서 2차 어닐링 공정을 수행할 수 있다. 상기 칼코겐계 물질은, 예컨대, S, Se, Te 중 하나를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 2차 어닐링 공정은 300∼2000℃ 정도의 온도 범위에서 수행할 수 있다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소의 형성방법을 보여주는 사시도이다.
도 12a를 참조하면, 기판(SUB1) 상에 제1 금속 산화물(1b)과 제2 금속 산화물(2b)을 포함하는 박막(20)을 형성할 수 있다. 복수의 제1 금속 산화물(1b)과 복수의 제2 금속 산화물(2b)이 소정의 패턴을 형성할 수 있다. 일례로, 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 금속 산화물(1b, 2b)이 줄무늬 패턴을 형성할 수 있다. 제1 금속 산화물(1b)은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 하나의 산화물을 포함할 수 있다. 제2 금속 산화물(2b)은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 다른 하나의 산화물을 포함할 수 있다. 일례로, 제1 금속 산화물(1b)은 MoO3으로 형성할 수 있고, 제2 금속 산화물(2b)은 WO3으로 형성할 수 있다. 기판(SUB1) 상에 먼저 복수의 제1 금속 산화물(1b)의 패턴을 형성한 후, 이들 사이에 제2 금속 산화물(2b)의 패턴을 형성함으로써, 박막(20)을 형성할 수 있다. 이때, 포토리소그라피(photolithography), 전자빔 리소그라피(electron-beam lithography) 또는 나노임프린트(nanoimprint) 공정 등을 사용할 수 있다. 또는, 상기 박막(20)은 고체 산화물의 승화(sublimation)/증발(evaporation)/스퍼터링(sputtering) 등에 의해 형성할 수도 있고, 금속 박막을 증착한 후 이를 산화시켜서 얻을 수도 있다. 필요에 따라, 상기 박막(20)의 형성시, CMP(chemical mechanical polishing) 또는 에치백(etch-back) 공정을 수행할 수도 있다.
도 12b를 참조하면, 제1 및 제2 금속 산화물(1b, 2b)로부터 각각 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 형성하여, 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질(1B)과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질(2B)을 구비하는 이차원 물질층(20A)을 형성할 수 있다. 제2 이차원 물질(2B)은 제1 이차원 물질(1B)의 측면에 화학 결합될 수 있다. 제1 및 제2 이차원 물질(1B, 2B)은 각각 도 2의 제1 및 제2 이차원 물질(M11, M21) 또는 도 8의 제1 및 제2 이차원 물질(M16, M26)에 대응될 수 있다. 제1 이차원 물질(1B)은 n형 반도체이고, 제2 이차원 물질(2B)은 p형 반도체이거나, 그 반대일 수 있다. 이차원 물질층(20A)은 PN 접합 구조를 가질 수 있다.
이차원 물질층(20A)을 형성하기 위해, 반응 챔버(어닐링 챔버) 내에 칼코겐계 물질을 주입하면서 어닐링 공정을 수행할 수 있다. 상기 칼코겐계 물질은, 예컨대, S, Se, Te 중 하나를 포함할 수 있다. 만약, 상기 제1 및 제2 금속 산화물(1b, 2b)이 각각 MoO3 및 WO3이고, 형성하고자 하는 금속 칼코게나이드 물질이 MoS2 및 WS2인 경우, 상기 칼코겐계 물질은 S(sulfur)를 포함할 수 있다. 즉, 반응 챔버(어닐링 챔버)에 S를 공급하면서 박막(20)에 대한 어닐링 공정을 수행하면, MoO3 및 WO3를 각각 MoS2 및 WS2로 변화시킬 수 있다. MoS2는 제1 이차원 물질(1B)의 일례이고, WS2는 제2 이차원 물질(2B)의 일례이다. 금속 산화물(1b, 2b)의 물질 및 사용하는 칼코겐계 물질의 종류에 따라, 형성되는 이차원 물질(1B, 2B)의 종류가 달라질 수 있다. 상기 어닐링 공정은, 예컨대, 300∼2000℃ 정도의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 이후, 추가적인 어닐링 공정을 더 수행할 수도 있다. 상기 추가적인 어닐링 공정도 300∼2000℃ 정도의 온도에서 수행할 수 있다.
도 12a에서 제1 및 금속 산화물(1b, 2b)의 패턴은 다양하게 변화될 수 있고, 그에 따라, 도 12b에서 형성되는 제1 및 제2 이차원 물질(1B, 2B)의 패턴도 다양하게 변화될 수 있다. 따라서, 원하는 형태의 패턴을 갖는 이차원 물질층을 형성할 수 있다.
도 13a 내지 도 13e는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질요소의 형성방법을 보여주는 사시도이다.
도 13a를 참조하면, 기판(SUB1) 상에 금속 산화물을 포함하는 박막(30)을 형성할 수 있다. 박막(30)은 금속 산화물막일 수 있다. 상기 금속 산화물은, 예컨대, Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 하나의 산화물을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 금속 산화물은 MoO3를 포함할 수 있다.
도 13b를 참조하면, 박막(30) 상에 소정의 마스크층(ML1)을 형성할 수 있다. 마스크층(ML1)은 박막(30)의 일부 영역들을 노출시키는 소정의 패턴 구조를 가질 수 있다. 마스크층(ML1)은, 예컨대, 금속 물질로 형성할 수 있고, 줄무늬 패턴의 노출 영역을 가질 수 있다. 마스크층(ML1)의 형태는 도시된 바에 한정되지 않고, 다양하게 변형될 수 있다.
도 13c를 참조하면, 마스크층(ML1)에 의해 커버되지 않고 노출된 박막(30) 영역들의 금속 산화물을 제1 금속 칼코게나이드계 물질로 변화시켜 제1 이차원 물질(1C)을 형성할 수 있다. 반응 챔버(어닐링 챔버) 내에 제1 칼코겐계 물질을 주입하면서 어닐링 공정을 수행함으로써, 노출된 박막(30) 영역들의 금속 산화물을 상기 제1 칼코겐계 물질과 반응시켜 제1 이차원 물질(1C)을 형성할 수 있다. 상기 어닐링 공정은, 예컨대, 300∼2000℃ 정도의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 상기 제1 칼코겐계 물질은, 예컨대, S, Se, Te 중 하나를 포함할 수 있다. 만약, 상기 금속 산화물이 MoO3이고, 형성하고자 하는 금속 칼코게나이드 물질이 MoS2인 경우, 상기 제1 칼코겐계 물질은 S(sulfur)를 포함할 수 있다. 즉, 반응 챔버(어닐링 챔버)에 S를 공급하면서 박막(30)에 대한 어닐링 공정을 수행하면, 노출된 박막(30) 영역이 MoS2로 변화될 수 있다. 제1 이차원 물질(1C)이 형성된 박막을 30A로 표시한다. 박막(30A)에서 마스크층(ML1)으로 가려진 영역들은 여전히 금속 산화물 영역일 수 있다. 이 영역들을 참조번호 2c로 표시한다.
다음, 마스크층(ML1)을 제거할 수 있다. 도 13c에서 마스크층(ML1)을 제거한 결과물은 도 13d와 같을 수 있다.
그런 다음, 잔류된 금속 산화물 영역(2c)을 제2 금속 칼코게나이드계 물질로 변화시켜, 도 13e에 도시된 바와 같이, 제2 이차원 물질(2C)을 형성할 수 있다. 반응 챔버(어닐링 챔버) 내에 제2 칼코겐계 물질을 주입하면서 어닐링 공정을 수행함으로써, 잔류된 금속 산화물 영역(2c)의 금속 산화물을 상기 제2 칼코겐계 물질과 반응시켜 제2 이차원 물질(2C)을 형성할 수 있다. 상기 어닐링 공정은, 예컨대, 300∼2000℃ 정도의 온도 범위에서 수행할 수 있다. 상기 제2 칼코겐계 물질은, 예컨대, S, Se, Te 중 하나를 포함할 수 있다. 만약, 상기 금속 산화물이 MoO3이고, 형성하고자 하는 금속 칼코게나이드 물질이 MoTe2인 경우, 상기 제2 칼코겐계 물질은 Te(tellurium)를 포함할 수 있다. 즉, 반응 챔버(어닐링 챔버)에 Te를 공급하면서 박막(30A)에 대한 어닐링 공정을 수행하면, 금속 산화물 영역(2c)이 MoTe2로 변화될 수 있다. 상기 제2 칼코겐계 물질은 제1 이차원 물질(1C)보다 금속 산화물 영역(2c)과 용이하게 반응하기 때문에, 제1 이차원 물질(1C)은 그대로 유지되면서, 금속 산화물 영역(2c)만 제2 이차원 물질(2C)로 변화될 수 있다. 이렇게 형성된 제2 이차원 물질(2C)은 제1 이차원 물질(1C)과 화학 결합될 수 있다. 제1 및 제2 이차원 물질(1C, 2C)이 형성된 박막을 이차원 물질층(30B)이라 한다.
이차원 물질층(30B)은 도 9의 이차원 물질요소(112B)에 대응될 수 있다. 이차원 물질층(30B)의 제1 이차원 물질(1C)은 MoS2, MoSe2 및 MoTe2 중 하나를 포함할 수 있고, 제2 이차원 물질(2C)은 MoS2, MoSe2 및 MoTe2 중 다른 하나를 포함할 수 있다. 또는, 제1 이차원 물질(1C)은 WS2, WSe2 및 WTe2 중 하나를 포함할 수 있고, 제2 이차원 물질(2C)은 WS2, WSe2 및 WTe2 중 다른 하나를 포함할 수 있다. 전술한 제1 이차원 물질(1C)과 제2 이차원 물질(2C)의 구체적인 물질은 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다.
경우에 따라서는, 도 13d의 단계에서 제1 이차원 물질(1C)을 선택적으로 커버하는 제2 마스크층(미도시)을 형성한 후, 상기 제2 마스크층에 의해 커버되지 않고 노출된 금속 산화물 영역(2c)을 제2 이차원 물질(2C)로 변화시키는 공정을 수행할 수도 있다.
또한, 도 13a 내지 도 13e의 실시예에서는 두 종류의 이차원 물질(1C, 2C)을 포함하는 이차원 물질층(30B)을 형성하는 경우에 대해 도시하고 설명하였지만, 이 방법을 변형하면, 세 종류 이상의 이차원 물질을 포함하는 이차원 물질층을 형성할 수 있다. 이때, 상기 세 종류 이상의 이차원 물질은, 예컨대, MoS2, MoSe2 및 MoTe2를 포함하거나, WS2, WSe2 및 WTe2를 포함할 수 있다. 결과적으로, 도 10에 도시된 바와 같은 이차원 물질층을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소는 다양한 반도체소자(전자 소자)에 여러 가지 목적으로 적용될 수 있다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소는 다이오드(diode), 태양전지(solar cell), 광검출기(photodetector), 트랜지스터(transistor), 터널링소자(tunneling device), 메모리소자(memory device), 논리소자(logic device), 발광소자(light emitting device), 에너지 저장소자(energy storage device), 디스플레이 소자(display device) 등 다양한 소자에 적용될 수 있다. 상기 트랜지스터는 FET(field effect transistor), TFT(thin film transistor), BJT(binary junction transistor), 배리어 트랜지스터(barrier transistor)(즉, barristor) 등 다양한 구조를 가질 수 있다. 상기 이차원 물질요소는 PN 접합을 이용하는 소자이면 어느 소자이든 적용될 수 있고, 기존의 Si 이용 소자의 Si 대신 적용될 수 있으며, 적층형 소자(stackable device), 플렉서블 소자(flexible device) 및 투명 소자(transparent device) 등에 적용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소는 이차원 물질이기 때문에, 플렉서블(flexible)할 수 있고, 매우 얇은 두께를 가지기 때문에, 투명한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 이러한 물질은 적층형 소자, 플렉서블 소자 및 투명 소자 등에 유용하게/유리하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체소자는 도 1 내지 도 10 등을 참조하여 설명한 이차원 물질요소를 포함하는 물질층(반도체층)을 구비할 수 있다. 예컨대, 상기 반도체소자는 다층구조체를 포함할 수 있고, 상기 다층구조체는 상기 이차원 물질요소를 포함하는 반도체층 및 상기 반도체층의 적어도 일면에 구비된 적어도 하나의 비반도체층을 포함할 수 있다. 상기 반도체층은 이차원 물질층일 수 있다. 상기 적어도 하나의 비반도체층은 적어도 하나의 도전층 및/또는 적어도 하나의 절연층을 포함할 수 있다. 상기 도전층은 도전성 이차원 물질층을 포함할 수 있고, 상기 절연층은 절연성 이차원 물질층을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 도전성 이차원 물질층은 그래핀(graphene) 등을 포함할 수 있고, 상기 절연성 이차원 물질층은 h-BN(hexagonal boron nitride) 등을 포함할 수 있다. 그러나, 상기 비반도체층은 이차원 물질이 아닐 수도 있다. 일반적인 반도체 공정에서 사용하는 다양한 절연 물질 및 도전 물질을 상기 비반도체층에 적용할 수 있다. 상기 절연 물질은 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 질화물, 실리콘 질화물보다 유전상수가 큰 고유전 물질(알루미늄 산화물, 하프늄 산화물 등), 절연성 유기물(폴리머) 등을 포함할 수 있다. 상기 도전 물질은 Ti, Al, Cr, Au, Ni, Pt 등의 금속이나, 금속화합물, 도전성 유기물(폴리머) 등을 포함할 수 있다. 만약, 상기 비반도체층을 이차원 물질로 형성하면, 반도체소자의 주요 구성요소들이 모두 이차원 물질로 구성될 수 있으므로, 소자의 소형화 및 고집적화 등에 유리할 수 있다. 또한, 플렉서블 소자 및 투명 소자 등의 구현이 가능할 수 있다.
이하에서는, 도 14 내지 도 22를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 다양한 반도체소자를 예시적으로 설명한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 것으로, 이차원 물질요소를 포함하는 반도체소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 터널링 소자(tunneling device)의 일례를 보여준다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 반도체층(SL10)이 구비되고, 반도체층(SL10)의 제1면(예컨대, 하면)에 제1 도전층(CL10)이 구비될 수 있다. 반도체층(SL10)의 제2면(예컨대, 상면)에 제2 도전층(CL20)이 구비될 수 있다. 제2 도전층(CL20) 상에 절연층(NL10)이 구비될 수 있고, 절연층(NL10) 상에 제3 도전층(CL3)이 구비될 수 있다. 반도체층(SL10)은 도 1 내지 도 10 등을 참조하여 설명한 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함할 수 있다. 따라서, 반도체층(SL10)은 측방향으로 화학 결합된 복수의 이차원 물질을 포함할 수 있다. 또한, 반도체층(SL10)은 PN, PNP, NPN 구조 등을 갖거나, 밴드갭이 서로 다른 복수의 영역을 가질 수 있다. 본 실시예에서 반도체층(SL10)은 터널링층(tunneling layer)일 수 있다. 제1 도전층(CL10)은 드레인전극일 수 있고, 제2 도전층(CL20)은 소오스전극일 수 있으며, 제3 도전층(CL30)은 게이트전극일 수 있다. 절연층(NL10)은 게이트절연층일 수 있다. 제3 도전층(CL30)에 의해 반도체층(SL10)의 전기적 특성 또는 제2 도전층(CL20)과 반도체층(SL10) 사이 계면의 전기적 특성이 제어될 수 있다. 반도체층(SL10)을 통한 전하의 터널링에 의해 제1 및 제2 도전층(CL10, CL20) 사이에 전류가 흐를 수 있다.
도 14에서 제1 내지 제3 도전층(CL10, CL20, CL30)은 도전성 이차원 물질로 형성되거나, 이차원 물질이 아닌 일반적인 도전 물질로 형성될 수 있다. 특히, 제2 도전층(CL20)은 그래핀과 같은 도전성 이차원 물질로 형성될 수 있다. 또한, 절연층(NL10)은 h-BN(hexagonal boron nitride)과 같은 절연성 이차원 물질로 형성되거나, 이차원 물질이 아닌 일반적인 절연 물질로 형성될 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 이차원 물질요소를 포함하는 반도체소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 BJT(binary junction transistor) 소자의 일례를 보여준다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 반도체층(SL11)이 구비되고, 그 양측에 제1 및 제2 절연층(NL11, NL21)이 구비될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 절연층(NL11, NL21) 사이에 반도체층(SL11)이 구비될 수 있다. 제1 절연층(NL11)을 사이에 두고 반도체층(SL11)에 대향하는 제1 도전층(CL11)이 더 구비될 수 있다. 제2 절연층(NL21)을 사이에 두고 반도체층(SL11)에 대향하는 제2 도전층(CL21)이 더 구비될 수 있다. 반도체층(SL11)은 도 1 내지 도 10 등을 참조하여 설명한 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함할 수 있다. 따라서, 반도체층(SL11)은 측방향으로 화학 결합된 복수의 이차원 물질을 포함할 수 있다. 또한, 반도체층(SL11)은 PN, PNP, NPN 구조 등을 갖거나, 밴드갭이 서로 다른 복수의 영역을 가질 수 있다. 본 실시예에서 반도체층(SL11)은 터널링층(tunneling layer)일 수 있다. 또한, 반도체층(SL11)은 베이스(base)일 수 있다. 제1 도전층(CL11)은 이미터(emitter)일 수 있고, 제2 도전층(CL21)은 콜렉터(collector)일 수 있다. 상기 이미터 및 콜렉터는 전극요소일 수 있다. 제1 절연층(NL11)은 제1 배리어층(barrier layer)일 수 있고, 제2 절연층(NL21)은 제2 배리어층일 수 있다. 제1 절연층(NL11)은 터널링 배리어층일 수 있고, 제2 절연층(NL21)은 필터링 배리어층일 수 있다. 본 실시예의 반도체소자는 일반적인 BJT 소자와 유사한 방식으로 동작될 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 이차원 물질요소를 포함하는 반도체소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 배리어 트랜지스터(barrier transistor)(즉, barristor)의 일부를 예시적으로 보여준다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 반도체층(SL12)이 구비되고, 반도체층(SL12)에 접촉된 제1 도전층(CL12)이 구비될 수 있다. 제1 도전층(CL12)과 이격된 제2 도전층(CL22)이 구비될 수 있다. 제1 도전층(CL12)과 제2 도전층(CL22) 사이에 절연층(NL12)이 구비될 수 있다. 반도체층(SL12)은 도 1 내지 도 10 등을 참조하여 설명한 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 반도체층(SL12)은 채널층의 역할을 할 수 있다. 제1 도전층(CL12)은 반도체층(SL12)과의 계면에서 쇼트키 배리어(Schottky barrier)를 형성하는 역할을 할 수 있다. 절연층(NL12)은 게이트절연층일 수 있고, 제2 도전층(CL22)은 게이트전극일 수 있다. 제2 도전층(CL22)에 인가된 전압에 따라, 상기 쇼트키 배리어의 높이가 조절될 수 있고 소자의 온/오프(ON/OFF)가 제어될 수 있다. 도시하지는 않았지만, 반도체층(SL12)에 접촉된 소오스전극 및 드레인전극이 더 구비될 수 있다. 상기 쇼트키 배리어의 높이가 낮을 때, 상기 소오스전극과 드레인전극을 통해 전류가 흐를 수 있고, 상기 쇼트키 배리어의 높이가 높을 때, 상기 전류의 흐름이 차단될 수 있다. 여기서, 제1 도전층(CL12)이 그래핀으로 형성된 경우, 본 실시예의 소자는 그래핀 배리스터(graphene barristor)라고 할 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 이차원 물질요소를 포함하는 반도체소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 FET(field effect transistor) 소자를 예시적으로 보여준다. 광검출기(photodetector)도 도 17의 구조와 유사한 구조를 가질 수 있다.
도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 반도체층(SL13)이 구비되고, 반도체층(SL13)의 일측(예컨대, 하면)에 절연층(NL13)이 구비될 수 있다. 절연층(NL13)을 사이에 두고 반도체층(SL13)과 대향하는 제1 도전층(CL13)이 구비될 수 있다. 반도체층(SL13)의 타측(예컨대, 상면)에 서로 이격된 제2 및 제3 도전층(CL23, CL33)이 구비될 수 있다. 반도체층(SL13)은 도 1 내지 도 10 등을 참조하여 설명한 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 반도체층(SL13)은 채널층일 수 있다. 반도체층(CL13)은, 예컨대, PNP 구조 또는 NPN 구조를 가질 수 있다. 절연층(NL13)은 게이트절연층일 수 있고, 제1 도전층(CL13)은 게이트전극일 수 있다. 제2 및 제3 도전층(CL23, CL33)은 각각 소오스전극 및 드레인전극일 수 있다. 반도체층(CL13)이 PNP 구조를 갖는 경우, 제2 및 제3 도전층(CL23, CL33)은 반도체층(CL13)의 P-영역에 접촉될 수 있다. 반도체층(CL13)이 NPN 구조를 갖는 경우, 제2 및 제3 도전층(CL23, CL33)은 반도체층(CL13)의 N-영역에 접촉될 수 있다. 도 17의 구조가 광검출기(photodetector)로 사용되는 경우, 반도체층(SL13)은 광활성층(photoactive layer)일 수 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 이차원 물질요소를 포함하는 반도체소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 메모리소자(memory device)의 일례를 예시적으로 보여준다. 이때, 상기 메모리소자는 전하 트랩(charge trap) 메모리소자일 수 있다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 제1 반도체층(SL14)이 구비되고, 제1 반도체층(SL14)의 양면에 각각 절연층(NL14) 및 제1 도전층(CL14)이 구비될 수 있다. 예컨대, 제1 반도체층(SL14)의 하면에 절연층(NL14)이 구비될 수 있고, 제1 반도체층(SL14)의 상면에 제1 도전층(CL14)이 구비될 수 있다. 절연층(NL14)의 하면에 제2 반도체층(SL24)이 구비될 수 있다. 제2 반도체층(SL24)에 접촉된 제2 및 제3 도전층(CL24, CL34)이 구비될 수 있다. 제1 반도체층(SL14)은 도 1 내지 도 10 등을 참조하여 설명한 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함할 수 있다. 본 실시예에서 제1 반도체층(SL14)은 전하 트랩층(charge trap layer)일 수 있다. 절연층(NL14)은 터널 배리어층일 수 있고, 제1 도전층(CL14)은 게이트전극일 수 있다. 제2 반도체층(SL24)은 채널층일 수 있고, 제2 및 제3 도전층(CL24, CL34)은 각각 소오스전극 및 드레인전극일 수 있다. 제1 반도체층(SL14)의 전하 트랩 여부에 따라, 제2 및 제3 도전층(CL24, CL34) 사이에 흐르는 전류의 양이 달라지는 것을 이용해서, 데이터를 저장할 수 있다.
도 14 내지 도 18의 구조를 위·아래로 뒤집은 구조(즉, 역구조)도 가능하다. 예컨대, 도 18의 구조를 위·아래로 뒤집으면, 도 19와 같을 수 있다.
또한, 도 14 내지 도 19의 단위 구조는 중간절연층을 사이에 두고 2회 이상 반복 적층될 수 있다. 일례로, 도 17의 단위 구조를 2회 적층한 구조는 도 20과 같을 수 있다. 도 20을 참조하면, 도 17의 단위 구조(단위 소자) 두 개(D10, D20)가 중간절연층(NL15)을 사이에 두고 적층되어 있다.
도 14 내지 도 20에서 절연층(NL10∼NL15)은 h-BN과 같은 절연성 이차원 물질층이거나, 이차원 물질층이 아닐 수도 있다. 후자의 경우, 절연층(NL10∼NL15)은 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 질화물, 실리콘 질화물보다 유전상수가 큰 고유전 물질(알루미늄 산화물, 하프늄 산화물 등), 절연성 유기물(폴리머) 등을 포함할 수 있다. 또한, 도 14 내지 도 20에서 도전층(CL10∼CL34)은 그래핀과 같은 도전성 이차원 물질층이거나, 이차원 물질층이 아닐 수도 있다. 후자의 경우, 도전층(CL10∼CL34)은 Ti, Al, Cr, Au, Ni, Pt 등의 금속이나, 금속화합물, 도전성 유기물(폴리머) 등을 포함할 수 있다. 만약, 절연층(NL10∼NL15) 및 도전층(CL10∼CL34)을 이차원 물질로 형성하면, 반도체소자의 주요 구성요소들이 모두 이차원 물질로 구성될 수 있으므로, 소자의 소형화 및 고집적화 등에 유리할 수 있다. 반도체소자의 주요 구성요소들을 이차원 물질로 구성하는 경우, 단위 소자(ex, 도 20의 D10, D20)의 총 두께가 10 nm 이하로 매우 얇을 수 있으므로, 집적도 향상에 따른 용량 증가 등의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 반도체소자의 주요 구성요소들을 이차원 물질로 구성하는 경우, 플렉서블 소자 및 투명 소자의 구현이 용이할 수 있다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 이차원 물질요소를 포함하는 반도체소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 다이오드(diode)의 일례를 보여준다.
도 21을 참조하면, 기판(SUB101) 상에 반도체층(SL101)이 구비될 수 있다. 반도체층(SL101)은 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함할 수 있다. 예컨대, 반도체층(SL101)은 제1 이차원 물질(M101) 및 제2 이차원 물질(M201)을 포함할 수 있다. 제2 이차원 물질(M201)은 제1 이차원 물질(M101)의 측면에 화학 결합될 수 있다. 제1 및 제2 이차원 물질(M101, M201)은 각각 도 1의 제1 및 제2 이차원 물질(M10, M20)에 대응될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 이차원 물질(M101, M201)은 각각 도 2의 제1 및 제2 이차원 물질(M11, M21)에 대응될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 이차원 물질(M101, M201)은 각각 n형 반도체 및 p형 반도체일 수 있다. 따라서, 반도체층(SL101)은 PN 접합 구조를 가질 수 있다. 제1 이차원 물질(M101)에 접촉된 제1 전극(E101)이 구비될 수 있고, 제2 이차원 물질(M201)에 접촉된 제2 전극(E201)이 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극(E101, E201)의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 것으로, 이차원 물질요소를 포함하는 반도체소자를 보여주는 단면도이다. 본 실시예는 태양전지(solar cell)의 일례를 보여준다.
도 22를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 반도체층(SL102)이 구비될 수 있다. 반도체층(SL102)은 밴드갭이 서로 다른 복수의 영역(M102, M202, M302)을 포함할 수 있다. 예컨대. 반도체층(SL102)은 밴드갭이 서로 다른 제1 내지 제3 이차원 물질(M102, M202, M302)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 이차원 물질(M102, M202, M302)은, 예컨대, 도 6의 제1 내지 제3 이차원 물질(M14, M24, M34)에 각각 대응될 수 있다. 반도체층(SL102)의 제1면(예컨대, 하면)에 제1 전극(E102)이 구비될 수 있고, 반도체층(SL102)의 제2면(예컨대, 상면)에 제2 전극(E201)이 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극(E102, E201)은 투명 전극일 수 있다. 제2 전극(E201) 위쪽에서 빛 에너지(light energy)가 반도체층(SL102)으로 입사될 수 있다. 제1 내지 제3 이차원 물질(M102, M202, M302)은 서로 다른 밴드갭을 갖기 때문에, 넓은 영역(광대역)의 빛 에너지가 제1 내지 제3 이차원 물질(M102, M202, M302)을 통해 흡수될 수 있다. 즉, 제1 이차원 물질(M102)은 제1 파장 영역의 빛을 흡수하고, 제2 이차원 물질(M202)은 제2 파장 영역의 빛을 흡수하고, 제3 이차원 물질(M302)은 제3 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있다. 따라서, 반도체층(SL102)을 통해 흡수되는 빛의 파장 영역을 넓힐 수 있고, 결과적으로, 에너지 변환 효율을 높일 수 있다. 한편, 참조번호 L1, L2, L3는 각각 제1 내지 제3 이차원 물질(M102, M202, M302)에서 흡수되지 않고 투과된 빛(투과광)을 나타낸다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 10의 이차원 물질요소의 구성은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 이차원 물질(M10, M20)은 금속 칼코게나이드계 물질 이외에 다른 물질로 구성될 수 있고, 이차원 물질(M10, M20)은 반도체 특성이 아닌 도전성 또는 절연성을 가질 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 11a 내지 도 11c, 도 12a 및 도 12b, 그리고, 도 13a 내지 도 13e를 참조하여 설명한 이차원 물질요소의 제조방법도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그리고, 본 발명의 실시예에 따른 이차원 물질요소를 포함하는 소자의 구조는 도 14 내지 도 22의 구조로 한정되지 않고 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100, 100A, 100B : 이차원 물질요소 M10∼M18 : 제1 이차원 물질
M20∼M28 : 제2 이차원 물질 M33, M34, M38 : 제3 이차원 물질
M1, M1', M2, M2' : 금속 원소 X1, X1', X2, X2' : 칼코겐 원소
SUB1, SUB10 : 기판 CL10∼CL34 : 도전층
NL10∼NL15 : 절연층 SL10∼SL24 : 반도체층

Claims (50)

  1. 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질; 및
    상기 제1 이차원 물질의 측면에 결합된 것으로, 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질;을 구비하고,
    상기 제1 이차원 물질과 제2 이차원 물질은 화학 결합된 이차원 물질요소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질과 제2 이차원 물질은 공유 결합된 이차원 물질요소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질과 제2 이차원 물질은 그 결합부에서 연속된 결정구조를 갖도록 원자간 결합된 이차원 물질요소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질을 포함하는 이차원 물질요소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질 및 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질 중 적어도 하나는 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 하나의 금속 원소와 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함하는 이차원 물질요소.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질과 상기 제2 이차원 물질은 반도체인 이차원 물질요소.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질은 n형 반도체이고,
    상기 제2 이차원 물질은 p형 반도체인 이차원 물질요소.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 이차원 물질의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 금속 원소를 포함하는 이차원 물질요소.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 이차원 물질의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 동일한 칼코겐 원소를 포함하는 이차원 물질요소.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질은 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질로 MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2 및 WTe2 중 적어도 하나를 포함하는 이차원 물질요소.
  11. 제 7 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 이차원 물질은 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질로 WS2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2 및 NbSe2 중 적어도 하나를 포함하는 이차원 물질요소.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질은 MoS2를 포함하고,
    상기 제2 이차원 물질은 WS2를 포함하는 이차원 물질요소.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질과 상기 제2 이차원 물질은 서로 다른 에너지 밴드갭(energy band gap)을 갖는 이차원 물질요소.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 이차원 물질의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 서로 다른 칼코겐 원소를 포함하는 이차원 물질요소.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질의 제1 금속 칼코게나이드계 물질과 상기 제2 이차원 물질의 제2 금속 칼코게나이드계 물질은 동일한 금속 원소를 포함하는 이차원 물질요소.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질은 MoS2, MoSe2 및 MoTe2 중 하나를 포함하고,
    상기 제2 이차원 물질은 MoS2, MoSe2 및 MoTe2 중 다른 하나를 포함하는 이차원 물질요소.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질은 WS2, WSe2 및 WTe2 중 하나를 포함하고,
    상기 제2 이차원 물질은 WS2, WSe2 및 WTe2 중 다른 하나를 포함하는 이차원 물질요소.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질 양측에 상기 제2 이차원 물질이 구비되거나, 상기 제2 이차원 물질 양측에 상기 제1 이차원 물질이 구비된 이차원 물질요소.
  19. 제 1 항에 있어서,
    복수의 상기 제1 이차원 물질과 복수의 상기 제2 이차원 물질이 패턴화된 구조를 형성하는 이차원 물질요소.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 이차원 물질 또는 제2 이차원 물질의 측면에 결합된 제3 이차원 물질을 더 포함하는 이차원 물질요소.
  21. 제1 금속 칼코게나이드계 물질의 전구체 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질의 전구체를 포함하는 전구체 용액을 마련하는 단계;
    상기 전구체 용액을 기판 상에 도포하여 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 박막으로부터 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질을 구비하는 이차원 물질요소를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2 이차원 물질은 상기 제1 이차원 물질의 측면에 화학 결합된 이차원 물질요소의 형성방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는 상기 박막을 어닐링하는 단계를 포함하는 이차원 물질요소의 형성방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 어닐링은 300∼2000℃의 온도로 수행하는 이차원 물질요소의 형성방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는 상기 박막이 구비된 챔버 내에 칼코겐계 물질을 주입하는 단계를 더 포함하는 이차원 물질요소의 형성방법.
  25. 제1 금속 산화물과 제2 금속 산화물을 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 금속 산화물로부터 각각 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 형성하여, 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질을 구비하는 이차원 물질요소를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2 이차원 물질은 상기 제1 이차원 물질의 측면에 화학 결합된 이차원 물질요소의 형성방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는,
    상기 박막이 구비된 챔버 내에 칼코겐계 물질을 주입하는 단계; 및
    상기 박막을 어닐링하는 단계;를 포함하는 이차원 물질요소의 형성방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 어닐링은 300∼2000℃의 온도로 수행하는 이차원 물질요소의 형성방법.
  28. 금속 산화물을 포함하는 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 박막의 제1 및 제2 영역으로부터 각각 제1 및 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 형성하여, 상기 제1 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제1 이차원 물질과 상기 제2 금속 칼코게나이드계 물질을 포함하는 제2 이차원 물질을 구비하는 이차원 물질요소를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2 이차원 물질은 상기 제1 이차원 물질의 측면에 화학 결합된 이차원 물질요소의 형성방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는,
    상기 박막의 제1 영역을 제1 칼코겐계 물질과 반응시키는 단계; 및
    상기 박막의 제2 영역을 제2 칼코겐계 물질과 반응시키는 단계;를 포함하는 이차원 물질요소의 형성방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는,
    상기 박막 상에 상기 제1 영역을 노출시키는 개구부를 갖는 마스크층을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크층에 의해 노출된 상기 제1 영역을 상기 제1 이차원 물질로 변화시키는 단계;를 포함하는 이차원 물질요소의 형성방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 박막으로부터 상기 이차원 물질요소를 형성하는 단계는,
    상기 마스크층을 제거하여 상기 박막의 제2 영역을 노출시키는 단계; 및
    상기 박막의 제2 영역을 상기 제2 이차원 물질로 변화시키는 단계;를 더 포함하는 이차원 물질요소의 형성방법.
  32. 다층구조체를 포함하는 반도체소자에 있어서,
    상기 다층구조체는,
    청구항 1에 기재된 이차원 물질요소를 포함하는 반도체층; 및
    상기 반도체층의 적어도 일면에 구비된 적어도 하나의 비반도체층;을 포함하는 반도체소자.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 다층구조체는,
    상기 반도체층의 제1면에 구비된 제1 도전층; 및
    상기 반도체층의 제2면에 구비된 제2 도전층;을 포함하는 반도체소자.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 다층구조체는,
    상기 제2 도전층과 이격된 제3 도전층; 및
    상기 제2 도전층과 상기 제3 도전층 사이에 구비된 절연층;을 더 포함하는 반도체소자.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 다층구조체는,
    상기 반도체층의 제1면에 구비된 제1 절연층;
    상기 반도체층의 제2면에 구비된 제2 절연층;
    상기 제1 절연층을 사이에 두고 상기 반도체층과 대향하는 제1 도전층; 및
    상기 제2 절연층을 사이에 두고 상기 반도체층과 대향하는 제2 도전층;을 포함하는 반도체소자.
  36. 제 32 항에 있어서, 상기 다층구조체는,
    상기 반도체층의 제1면에 구비된 제1 도전층;
    상기 제1 도전층과 이격된 제2 도전층; 및
    상기 제1 도전층과 상기 제2 도전층 사이에 구비된 절연층;을 포함하는 반도체소자.
  37. 제 32 항에 있어서, 상기 다층구조체는,
    상기 반도체층과 이격된 제1 도전층;
    상기 반도체층과 상기 제1 도전층 사이에 구비된 절연층; 및
    상기 반도체층의 제1 및 제2 영역에 각각 접촉된 제2 및 제3 도전층;을 포함하는 반도체소자.
  38. 제 32 항에 있어서, 상기 다층구조체는,
    상기 반도체층의 제1면에 구비된 절연층; 및
    상기 반도체층의 제2면에 구비된 제1 도전층;을 포함하는 반도체소자.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 다층구조체는,
    상기 절연층을 사이에 두고 상기 반도체층과 대향하는 제2 반도체층; 및
    상기 제2 반도체층의 제1 및 제2 영역에 각각 접촉된 제2 및 제3 도전층;을 더 포함하는 반도체소자.
  40. 제 32 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비반도체층은 도전성 이차원 물질 및 절연성 이차원 물질 중 적어도 하나를 포함하는 반도체소자.
  41. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체층은 PN 접합 구조, PNP 접합 구조 및 NPN 접합 구조 중 적어도 하나를 포함하는 반도체소자.
  42. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체층은 에너지 밴드갭이 서로 다른 복수의 이차원 물질을 포함하는 반도체소자.
  43. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체소자는 터널링 소자이고,
    상기 반도체층은 터널링층인 반도체소자.
  44. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체소자는 BJT(binary junction transistor)이고,
    상기 반도체층은 터널링층인 반도체소자.
  45. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체소자는 배리스터(barristor)이고,
    상기 반도체층은 채널층인 반도체소자.
  46. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체소자는 FET(field effect transistor)이고,
    상기 반도체층은 채널층인 반도체소자.
  47. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체소자는 메모리소자이고,
    상기 반도체층은 전하 트랩층(charge trap layer)인 반도체소자.
  48. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체소자는 다이오드인 반도체소자.
  49. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체소자는 태양전지인 반도체소자.
  50. 제 32 항에 있어서,
    상기 반도체소자는 광검출기(photodetector)인 반도체소자.
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