KR20160081102A - 2차원 물질층을 포함하는 전자소자 및 잉크젯 프린팅을 이용한 전자소자의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

2차원 물질층을 포함하는 전자소자 및 잉크젯 프린팅을 이용한 전자소자의 제조방법이 개시된다. 개시된 전자소자는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극과, 이 제1 및 제2 전극 사이를 연결하도록 마련되는 2차원 물질층을 포함한다. 여기서, 2차원 물질층은 그 각각이 적어도 일부가 서로 중첩된 복수의 2차원 나노물질을 포함한다.

Description

2차원 물질층을 포함하는 전자소자 및 잉크젯 프린팅을 이용한 전자소자의 제조방법{Electronic device having two dimensional material layer and method of manufacturing the electronic device using inkjet printing}
2차원 물질층을 포함하는 전자소자 및 잉크젯 프린팅을 이용한 전자소자의 제조방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소원자들이 2차원적으로 연결된 구조를 가지는 물질로서, 원자 크기 수준의 매우 얇은 두께를 가지고 있다. 이러한 그래핀은 실리콘(Si)에 비해 높은 전기 이동도 및 우수한 열특성을 가지며, 화학적으로 안정하고, 표면적이 넓다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 그래핀은 밴드갭(band gap)이 0eV 이기 때문에 그래핀을 이용하여 제작된 트랜지스터는 낮은 on/off 전류비를 가지게 된다. 이에 따라, 높은 대기 전류(standby current)가 발생됨으로써 트랜지스터 소자의 동작 효율이 나빠지게 된다. 이를 해결하기 위한 방안으로 그래핀을 개질하는 방법에 제안되었으나, 이러한 그래핀 개질 방법은 on/off 전류비를 높일 수는 있으나 on 전류 밀도나 이동도를 저하시킬 수 있으며, 공정 비용도 증가시키는 문제가 있다.
2차원 물질층을 포함하는 전자소자 및 잉크젯 프린팅을 이용한 전자소자의 제조방법을 제공한다.
일 측면에 있어서,
서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극;
상기 제1 및 제2 전극을 연결하도록 마련되는 것으로, 그 각각이 적어도 일부가 서로 중첩된 복수의 2차원 나노물질(2D nano material)을 포함하는 2차원 물질층(2D material layer);을 포함하는 전자소자가 제공된다.
상기 2차원 나노물질은 반도체 특성을 가질 수 있다.
상기 2차원 물질층은 도전성 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 도전성 물질은 예를 들면, 그래핀(graphene), 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 도전성 입자는 예를 들면, Ag, Au, Pt, Cu 및 플러렌(fullerene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 도전성 나노튜브는 CNTs(carbon nanotubes)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 도전성 나노와이어는 예를 들면 Ag 나노와이어를 포함할 수 있다. 상기 2차원 물질층에서 상기 2차원 나노물질들의 함량은 50 vol% 이상이 될 수 있다.
상기 2차원 물질층은 도핑물질(dopant)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 2차원 나노물질은 불순물로 도핑되어 있을 수 있다.
상기 2차원 물질층은 채널층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전자소자는 상기 2차원 물질층에 마련되는 게이트 절연층 및 상기 게이트 절연층에 마련되는 게이트 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극과 상기 2차원 물질층 사이에 쇼트키 접합(Schottky junction)이 형성될 수 있다. 상기 2차원 나노물질들 사이에 p-n 접합(p-n junction)이 형성될 수 있다.
상기 2차원 나노물질들 각각은 단층 또는 복층 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 2차원 나노물질을 구성하는 층들 각각은 수nm 이하의 두께 및 수십nm ~ 수백nm의 사이즈를 가질 수 있다. 그리고, 상기 2차원 물질층은 수nm ~ 수백nm의 두께 및 수백nm ~ 수백㎛의 사이즈를 가질 수 있다.
상기 2차원 나노물질은 TMD (Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene (Black Phosphorus), Germanane 및 Silicene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 TMD는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, TaS2, TaSe2, TiS2, TiSe2, HfS2, HfSe2, SnS2, SnSe2, GeS2, GeSe2, GaS2, GaSe2, Bi2S3, Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극과 상기 2차원 물질층은 기판에 마련되어 있으며, 상기 기판은 유연한(flexible) 재질을 포함할 수 있다.
다른 측면에 있어서,
반도체 특성을 가지며 그 각각이 적어도 일부가 서로 중첩된 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 2차원 물질층을 잉크젯 프린팅을 이용하여 기판에 형성하는 단계; 및
상기 2차원 물질층에 연결되는 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 전자소자의 제조방법이 제공된다.
상기 2차원 물질층을 형성하는 단계는, 상기 기판에 용매 및 상기 2차원 나노물질들을 포함하는 잉크를 토출시켜 잉크 패턴을 형성하는 단계; 및 상기 잉크 패턴을 건조시켜 상기 2차원 물질층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 용매는 Water, Acetone, Methanol, Ethanol, Isopropanol, Cyclohexanone, Cyclohexane, Chlorobenzene, Chloroform, Formamide, N-methyl formamide, N-methyl pyrrolidinone, N-vinyl pyrrolidinone, Dimethylsulphoxide, Benzonitrile, Cyclohecyl-pyrrolidinone, N-dodecyl pyrrolidone, Benzyl Benzoate, Benzyl ether Bromobenzene, Dimethylacetamide 및 Dimethylformamide 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 용매에 대한 상기 2차원 나노물질들의 혼합비율은 1㎍/mL ~ 100mg/mL 이 될 수 있다.
상기 잉크는 도전성 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 도전성 물질은 그래핀, 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 잉크는 도핑물질을 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 2차원 나노물질은 불순물로 도핑되어 있을 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 잉크젯 프린팅에 의해 형성될 수 있다. 여기서, 상기 제1 및 제2 전극은 그래핀, Ag 입자, Au 입자, Pt 입자, Cu 입자, CNTs(carbon nanotubes) 및 Ag 나노와이어로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 2차원 물질층에 게이트 절연층을 형성하는 단계; 및 상기 게이트 절연층에 게이트 전극을 형성하는 단계;가 더 포함될 수 있다. 상기 게이트 절연층은 잉크젯 프린팅에 의해 형성될 수 있다. 그리고, 상기 게이트 전극은 잉크젯 프린팅에 의해 형성될 수 있다.
반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들을 포함하는 2차원 물질층을 채널층으로 사용함으로써 트랜지스터 소자 등과 같은 전자 소자의 동작효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 이러한 2차원 물질층은 다이오드 소자, 센서 소자 등과 같은 다양한 전자소자에도 응용될 수 있다. 2차원 물질층을 잉크젯 프린팅 방식으로 형성하게 되면 전자 소자를 대면적으로 구현할 수 있다. 더구나, 전자소자를 구성하는 요소들을 모두 잉크젯 프린팅 방식으로 형성함으로써 보다 간단한 공정에 의해 전자소자를 제작할 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 본 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 2차원 물질층을 확대하여 도시한 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 2차원 물질층의 변형예를 도시한 것이다.
도 5a 내지 도 5d는 다른 예시적인 실시예에 따른 2차원 물질층의 형성방법을 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6d는 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자의 제조방법을 도시한 것이다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 평면도이다.
도 8은 도 7의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 본 단면도이다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 것이다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 것이다.
도 11은 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 평면도이다. 그리고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 본 단면도이다. 도 1 및 도 2에는 전자소자의 일 예로서 언더 게이트(under-gate) 구조의 트랜지스터 소자가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전자소자(100)는 게이트 전극(120), 게이트 절연층(130), 2차원 물질층(140) 및 제1 및 제2 전극(151,152)을 포함한다. 게이트 전극(120)은 기판(110)에 마련될 수 있다. 여기서, 기판(110)으로는 예를 들면, 실리콘 기판 등이 사용될 수 있으나. 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 재질의 기판이 사용될 수 있다. 또한, 기판(110)으로는 플라스틱 기판 등과 같은 유연한 재질의 기판이 사용될 수도 있다. 이러한 기판(110)의 상면에는 기판(110)과 게이트 전극(120) 사이의 절연을 위해 절연층(미도시)이 더 마련될 수 있다. 절연층은 예를 들면 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 기판(110)이 절연성 물질을 포함하는 경우에는 기판(110)의 상면에 절연층이 마련되지 않을 수 있다.
게이트 전극(120)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 게이트 전극(120)은 그래핀(graphene), CNTs(carbon nanotubes) 또는 Ag, Au, Pt, Cu 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것으로, 이외에도 게이트 전극(120)은 다른 다양한 도전성 물질을 포함할 수 있다. 게이트 절연층(130)은 게이트 전극(120)을 덮도록 기판(110)에 마련되어 있다. 이러한 게이트 절연층(130)은 다양한 절연물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 게이트 절연층(130)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 질산화물, 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 절연성 폴리머 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 게이트 절연층(130)은 후술하는 바와 같이 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성될 수도 있다.
게이트 절연층(130)에는 2차원 물질층(140)이 마련되어 있다. 여기서, 2차원 물질층(140)은 채널층의 역할을 수행할 수 있다. 이러한 2차원 물질층(140)은 게이트 전극(120)에 대응되는 위치에 마련되어 있다. 도 3에는 도 2에 도시된 2차원 물질층(140)이 확대되어 도시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 2차원 물질층(140)은 복수의 2차원 나노물질(2D nano material,141) 각각이 그 적어도 일부가 서로 중첩됨으로써 형성될 수 있다. 여기서, 2차원 나노물질(141)이라 함은 2차원 형태의 결정 구조를 가지는 것으로 반도체 특성을 가지는 나노 사이즈의 물질을 의미한다.
2차원 나노물질들(141) 각각은 하나의 층 또는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 2차원 나노물질들(141) 각각은 수십 개의 층으로 구성될 수도 있다. 여기서, 2차원 나노물질(141)을 구성하는 층들 각각은 대략 수 nm 이하의 두께의 가질 수 있다. 예를 들면, 2차원 나노물질(141)을 구성하는 층들 각각은 2nm 이하의 두께를 가질 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 그리고, 2차원 나노물질(141)을 구성하는 층들 각각은 수십nm ~ 수백nm 의 사이즈를 가질 수 있다. 이러한 2차원 나노물질(141)은 사각형, 오각형 등과 같은 다양한 평면 형상을 가질 수 있다.
이와 같이, 2차원 나노물질들(141) 각각이 서로 그 일부가 중첩됨으로써 2차원 물질층(140)이 형성될 수 있다. 이러한 2차원 물질층(140)은 후술하는 바와 같이, 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성된 2차원 물질층(140)은 그 두께는 대략 수nm ~ 수백nm 정도가 될 수 있으며, 그 사이즈는 대략 수백nm ~ 수백㎛ 정도가 될 수 있다. 이와 같이, 잉크젯 프린팅 방식을 이용하여 2차원 물질층(140)을 형성하게 되면, 대면적의 2차원 물질층도 구현할 수 있다.
전술한 바와 같이, 2차원 물질층(140)은 반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들(141)을 포함한다. 예를 들면, 2차원 나노물질(141)은 TMD (Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene (Black Phosphorus), Germanane 및 Silicene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고, TMD는 예를 들면, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, TaS2, TaSe2, TiS2, TiSe2, HfS2, HfSe2, SnS2, SnSe2, GeS2, GeSe2, GaS2, GaSe2, Bi2S3, Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들(141)로 구성된 2차원 물질층(140)은 그래핀에 비해 이동도는 낮지만, 밴드갭이 0eV 보다 큰 특성을 가지고 있다. 따라서, 이러한 2차원 물질층(140)을 트랜지스터 소자(100)의 채널층으로 사용하게 되면 on/off 전류비를 100 이상으로 증가시킬 수 있으므로, 전자 소자(100)의 동작 효율이 향상될 수 있다.
2차원 물질층(140)의 양측에는 제1 및 제2 전극(151,152)이 마련되어 있다. 제1 및 제2 전극(151,152)은 2차원 물질층(140)과 전기적으로 연결되도록 게이트 절연층(130)에 마련되어 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(151,152)은 각각 소스 전극 및 드레인 전극이 될 수 있다. 대체적으로(alternatively), 제1 및 제2 전극(151,152)은 각각 드레인 전극 및 소스 전극이 될 수도 있다. 제1 및 제2 전극(151,152)은 게이트 전극(120)과 마찬가지로 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 전극(151,152)은 그래핀, CNTs 또는 Ag, Au, Pt, Cu 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 제1 및 제2 전극(151,152)과 게이트 전극(120)은 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성될 수도 있다.
이상에서는 2차원 물질층(140)이 2차원 나노물질들(141)로만 구성된 경우가 설명되었으나, 2차원 물질층(140)은 2차원 나노물질들(141) 외에 다른 물질이 더 포함할 수도 있다. 도 4에는 도 2에 도시된 2차원 물질층(140)의 변형예가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 2차원 물질층(140')은 복수의 2차원 나노물질(141)과 도전성 물질(142)을 포함한다. 여기서, 2차원 나노물질들(141) 각각은 적어도 일부가 서로 중첩하도록 마련되어 있다. 그리고, 도전성 물질(142)은 2차원 나노물질들(141)에 부착되어 2차원 나노물질들(141) 사이의 전기전도도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 따라서, 2차원 물질층(140)에 포함된 도전성 물질(142)에 의해 전자 소자(100)의 on 전류가 증가될 수 있다.
2차원 물질층(140) 내에 포함되는 도전성 물질(142)은 예를 들면, 그래핀(graphene), 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 도전성 입자는 예를 들면, Ag, Au, Pt, Cu 및 플러렌(fullerene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도전성 나노튜브는 예를 들면, CNTs를 포함할 수 있다. 그리고, 도전성 나노와이어는 예를 들면, Ag 나노와이어를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
2차원 나노물질들(141)을 포함하는 2차원 물질층(140)이나 또는 2차원 나노물질들(141)과 도전성 물질(142)을 포함하는 2차원 물질층(140')에는 도핑물질(dopant)이 더 포함될 수 있다. 이러한 도핑물질은 특정 전하들만 통과시키는 역할을 할 수 있다. 따라서, 2차원 물질층(140)에 포함된 도핑 물질에 의해 전자소자(100)의 Off 전류가 감소될 수 있다. 이러한 도핑 물질은 후술하는 바와 같이 2차원 물질층(140)이 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성되는 경우에 잉크 내에 포함될 수 있다. 한편, 2차원 물질층(140)을 구성하는 2차원 나노물질들(141) 자체가 미리 불순물로 도핑되어 있을 수도 있다.
이상과 같이, 트랜지스터 소자(100)의 채널층으로 반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들(141)을 포함하는 2차원 물질층(140)을 사용함으로써 트랜지스터 소자(100)의 동작효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한 2차원 물질층(140)을 후 D하는 잉크젯 프린팅 방식으로 형성하게 되면 트랜지스터 소자(100)를 대면적으로 구현하는 것도 가능하다.
이하에서는 잉크젯 프린팅 방식에 의해 2차원 물질층을 형성하는 방법에 대해 설명한다. 도 5a 내지 도 5d는 다른 예시적인 실시예에 따른 2차원 물질층의 형성방법을 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 기판(250) 위에 잉크젯 프린팅 장치(200)를 마련한다. 여기서, 잉크젯 프린팅 장치(200)는 2차원 물질층(도 5d의 240)의 형성을 위한 잉크(230)가 채워진 잉크챔버(220)와, 이 잉크(230)를 기판(250)에 토출(eject)시키는 잉크젯 헤드(210)를 포함할 수 있다. 여기서, 잉크젯 프린팅 장치(200)는 예를 들면, 열구동(thermal) 잉크젯 방식이나 또는 압전구동(piezoelectric) 잉크젯 방식에 의해 잉크(230)를 토출시킬 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
2차원 물질층(240)의 형성을 위한 잉크(230)는 복수의 2차원 나노물질들(241)을 소정 용매(243)에 혼합함으로써 제작될 수 있다. 여기서, 용매(243)는 예를 들면, Water, Acetone, Methanol, Ethanol, Isopropanol, Cyclohexanone, Cyclohexane, Chlorobenzene, Chloroform, Formamide, N-methyl formamide, N-methyl pyrrolidinone, N-vinyl pyrrolidinone, Dimethylsulphoxide, Benzonitrile, Cyclohecyl-pyrrolidinone, N-dodecyl pyrrolidone, Benzyl Benzoate, Benzyl ether Bromobenzene, Dimethylacetamide 및 Dimethylformamide 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되지는 않는다.
이러한 용매(243)에 2차원 나노물질들(241)이 혼합됨으로써 2차원 물질층(240)의 형성을 위한 잉크(230)가 제작될 수 있다. 여기서, 용매(243)에 대한 2차원 나노물질들(241)의 혼합비율은 대략 1㎍/mL ~ 100mg/mL가 될 수 있다. 하지만 이는 단지 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 2차원 나노물질(241)은 전술한 바와 같이, 2차원 형태의 결정 구조를 가지는 것으로 반도체 특성을 가지는 나노 사이즈의 물질을 말한다. 2차원 나노물질(241)은 하나의 층 또는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 이러한 2차원 나노물질(241)을 구성하는 층들 각각은 대략 수 nm 이하의 두께의 가질 수 있으며, 수십nm ~ 수백nm 의 사이즈를 가질 수 있다.
2차원 나노물질(241)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 2차원 나노물질(241)은 TMD (Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene (Black Phosphorus), Germanane 및 Silicene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, TMD는 예를 들면, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, TaS2, TaSe2, TiS2, TiSe2, HfS2, HfSe2, SnS2, SnSe2, GeS2, GeSe2, GaS2, GaSe2, Bi2S3, Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 2차원 나노물질들(241)은 도핑되지 않은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 한편, 2차원 나노물질(241)은 소정의 불순물로 도핑되어 있을 수도 있다. 이 경우, 미리 불순물로 도핑된 2차원 나노물질들(241)이 용매(243) 내에 혼합됨으로써 잉크(230)가 제작될 수 있다.
2차원 물질층(240)의 형성을 위한 잉크(230)에는 도전성 물질(미도시)이 더 포함될 수 있다. 도전성 물질은 예를 들면, 그래핀, 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 도전성 입자는 예를 들면, Ag, Au, Pt, Cu 및 플러렌)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도전성 나노튜브는 예를 들면, CNTs를 포함할 수 있다. 그리고, 도전성 나노와이어는 예를 들면, Ag 나노와이어를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
2차원 물질층(240)의 형성을 위한 잉크(230)에는 도핑 물질(dopant)이 더 포함될 수도 있다. 즉, 2차원 나노물질들(241)이 도핑되지 않는(undoped) 반도체 물질을 포함하는 경우에는 용매(243) 내에 도핑 물질이 더 혼합될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 잉크젯 프린팅 장치(200)를 이용하여 잉크(230)를 기판(250)의 소정 위치에 토출시킨다. 이 과정에서 잉크젯 헤드(210)는 소정 방향으로 이동할 수 있으며, 잉크(230)는 잉크젯 헤드(210)로부터 액적(droplet,211)의 형태로 토출되어 기판(250)에 잉크패턴(230')을 형성하게 된다. 그리고, 도 5c를 참조하면, 잉크젯 프린팅 공정이 완료되면 기판(250)에는 2차원 나노물질들(241) 및 용매(243)을 포함하는 잉크패턴(230')이 소정 패턴으로 형성될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 잉크패턴(230')을 건조시켜 용매(243)를 제거하게 되면 기판(250)에는 2차원 나노물질들(241)을 포함하는 2차원 물질층(240)이 형성될 수 있다. 여기서, 잉크패턴(230')은 자연 건조 또는 소정의 가열을 통해 건조될 수 있다. 이와 같이, 잉크젯 프린팅 방식에 의해 2차원 나노물질들(241) 각각이 그 적어도 일부가 중첩됨으로써 2차원 물질층(240)이 형성될 수 있다. 이러한 2차원 물질층(240)은 그 두께는 대략 수nm ~ 수백nm 정도가 될 수 있으며, 그 사이즈는 대략 수백nm ~ 수백㎛ 정도가 될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이, 2차원 물질층(240)의 형성을 위한 잉크(230) 내에 도핑 물질이 더 포함되거나 또는 잉크(230) 내에 미리 소정의 불순물로 도핑된 2차원 나노물질들(241)이 포함될 수도 있다. 이 경우에는 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성된 2차원 물질층(240)은 소정의 도전형(conductive type)을 가지는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 2차원 물질층(240)은 p형 반도체 물질 또는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 2차원 물질층(240)의 형성을 위한 잉크(230) 내에는 도전성 물질이 더 포함될 수 있다. 도전성 물질은 예를 들면, 그래핀, 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 경우, 잉크젯 프린팅 방식에 의해 2차원 물질층(240)에서 도전성 물질은 2차원 나노물질들(241) 사이의 전기 전도도를 향상시키는 역할을 할 수 있다.
이하에서는 2차원 물질층을 포함하는 전자 소자를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
도 6a 내지 도 6d는 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자의 제조방법을 도시한 것이다. 도 6a 내지 도 6d에는 도 1 및 도 2에 도시된 전자소자(즉, 트랜지스터 소자)를 제조하는 방법이 도시되어 있다.
도 6a를 참조하면, 먼저 기판(310)을 준비한 다음, 이 기판(310)에 게이트 전극(320)을 형성한다. 여기서, 기판(310)으로는 예를 들면, 실리콘 기판 등이 사용될 수 있으나. 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 재질의 기판이 사용될 수 있다. 또한, 기판(310)으로는 플라스틱 기판 등과 같은 유연한 재질의 기판이 사용될 수도 있다. 이 기판(310)의 상면에는 기판(310)과 게이트 전극(320) 사이의 절연을 위해 절연층(미도시)이 더 마련될 수 있다. 절연층은 예를 들면 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 기판(310)이 절연성 물질을 포함하는 경우에는 기판(310)의 상면에 절연층이 마련되지 않을 수 있다.
게이트 전극(320)은 기판(310)의 상면에 형성된다. 이러한 게이트 전극(320)의 형성은 잉크젯 프린팅 방식에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 게이트 전극(320)은 도전성 물질이 포함된 잉크를 잉크젯 프린팅 장치에 의해 기판(310)의 상면에 인쇄한 다음, 이를 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 여기서, 잉크에 포함되는 도전성 물질은 예를 들면, 그래핀, Ag 입자, Au 입자, Pt 입자, Cu 입자, CNTs 및 Ag 나노와이어로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 게이트 전극(320)은 잉크젯 프린팅 방식 외에 다른 증착 방법에 의해 형성하는 것도 가능하다.
도 6b를 참조하면, 기판(310)에 게이트 전극(320)을 덮도록 게이트 절연층(330)을 형성한다. 여기서, 게이트 절연층(330)은 고유전체(high-k dielectric material)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 게이트 절연층(330)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 질산화물, 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 절연성 폴리머 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 게이트 절연층(330)의 형성은 잉크젯 프린팅 방식에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 소정의 절연물이 포함된 잉크를 잉크젯 프린팅 장치에 의해 게이트 전극(320)을 덮도록 기판(310)에 인쇄한 다음, 이를 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 한편, 게이트 절연층(330)은 잉크젯 프린팅 방식 외에 다른 증착 방법에 의해 형성하는 것도 얼마든지 가능하다.
도 6c를 참조하면, 게이트 절연층(330)에 2차원 물질층(340)을 형성한다. 2차원 물질층(340)은 게이트 전극(320)에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 이러한 2차원 물질층(340)은 채널층의 역할을 하는 것으로, 반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들(341)이 서로 중첩됨으로써 형성될 수 있다.
이러한 2차원 물질층(340)은 전술한 바와 같이, 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 2차원 물질층(340)은 소정 용매에 2차원 나노물질들(341)이 혼합된 잉크를 잉크젯 프린팅 장치에 의해 게이트 절연층(330)의 상면에 인쇄한 다음, 이를 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 여기서, 용매는 예를 들면, Water, Acetone, Methanol, Ethanol, Isopropanol, Cyclohexanone, Cyclohexane, Chlorobenzene, Chloroform, Formamide, N-methyl formamide, N-methyl pyrrolidinone, N-vinyl pyrrolidinone, Dimethylsulphoxide, Benzonitrile, Cyclohecyl-pyrrolidinone, N-dodecyl pyrrolidone, Benzyl Benzoate, Benzyl ether Bromobenzene, Dimethylacetamide 및 Dimethylformamide 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
2차원 나노물질(341)은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 2차원 나노물질(341)은 TMD (Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene (Black Phosphorus), Germanane 및 Silicene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, TMD는 예를 들면, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, TaS2, TaSe2, TiS2, TiSe2, HfS2, HfSe2, SnS2, SnSe2, GeS2, GeSe2, GaS2, GaSe2, Bi2S3, Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 2차원 나노물질들(341)은 도핑되지 않은 반도체 물질을 포함할 수 있다. 한편, 2차원 나노물질(341)은 소정의 도핑물질로 도핑되어 있을 수도 있다.
2차원 나노물질들(341) 각각은 하나의 층 또는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 2차원 나노물질들(341) 각각은 수십 개의 층으로 구성될 수도 있다. 여기서, 2차원 나노물질(341)을 구성하는 층들 각각은 대략 수 nm 이하의 두께의 가질 수 있다. 예를 들면, 2차원 나노물질(341)을 구성하는 층들 각각은 2nm 이하의 두께를 가질 수 있지만 이에 한정되지는 않는다. 그리고, 2차원 나노물질(341)을 구성하는 층들 각각은 수십nm ~ 수백nm 의 사이즈를 가질 수 있다. 이러한 2차원 나노물질(341)은 다양한 평면 형상을 가질 수 있다.
잉크의 용매에 대한 2차원 나노물질들(341)의 혼합비율은 대략 1㎍/mL ~ 100mg/mL가 될 수 있다. 하지만 이는 단지 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 잉크를 잉크젯 프린팅 장치에 의해 게이트 절연층(330)의 상면에 소정 형태로 인쇄한 다음, 이를 건조시킴으로써 2차원 물질층(340)이 형성될 수 있다. 여기서, 2차원 물질층(340)은 2차원 나노물질들(341) 각각이 적어도 일부가 서로 중첩됨으로써 형성될 수 있다. 이와 같이, 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성된 2차원 물질층(340)은 그 두께는 대략 수nm ~ 수백nm 정도가 될 수 있으며, 그 사이즈는 대략 수백nm ~ 수백㎛ 정도가 될 수 있다.
잉크의 용매에 도전성 물질(미도시)이 더 혼합될 수 있다. 여기서, 도전성 물질은 예를 들면, 그래핀, 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 도전성 입자는 예를 들면, Ag, Au, Pt, Cu 및 플러렌(fullerene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 도전성 나노튜브는 예를 들면, CNTs를 포함할 수 있으며, 도전성 나노와이어는 예를 들면, Ag 나노와이어를 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이와 같이, 2차원 나노물질들(341)과 도전성 물질(미도시)이 포함된 잉크를 이용하여 2차원 물질층(340)을 형성하는 경우에는 2차원 나노물질들(341) 사이를 도전성 물질이 연결함으로써 2차원 물질층(340)의 도전성이 향상될 수 있고, 이에 따라 전자 소자(100)의 on 전류가 증가될 수 있다.
또한, 잉크의 용매에 도핑 물질(미도시)이 더 혼합될 수 있다. 이와 같이, 용매에 도핑 물질이 더 포함되거나 또는 2차원 나노물질들(341)이 미리 도핑된 경우에는 2차원 물질층(340)은 소정의 도전형(conductive type)을 가질 수 있다. 예를 들면, 2차원 물질층(340)은 p형 반도체 물질 또는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다. 이와 같이, 2차원 물질층(340)이 소정의 불순물로 도핑됨으로써 전자소자의 Off 전류가 감소될 수 있다.
도 6d를 참조하면, 2차원 물질층(340)의 양측에 제1 및 제2 전극(351,352)을 형성함으로써. 전자소자를 완성한다. 여기서, 제1 및 제2 전극(351,352)은 소스 전극 및 드레인 전극이 될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 전극(351,352)이 드레인 전극 및 소스 전극이 될 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(351,352)의 형성은 잉크젯 프린팅 방식에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 전극(351,352)은 도전성 물질이 포함된 잉크를 잉크젯 프린팅 장치에 의해 2차원 물질층(340) 및 게이트 절연층(330)의 상면에 소정 형태로 인쇄한 다음, 이를 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 여기서, 잉크에 포함되는 도전성 물질은 예를 들면, 그래핀, Ag 입자, Au 입자, Pt 입자, Cu 입자, CNTs 및 Ag 나노와이어로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 한편, 제1 및 제2 전극(351,352)은 잉크젯 프린팅 방식 외에 다른 증착 방법에 의해 형성하는 것도 가능하다.
이상에서 설명된 전자소자들은 복수개로 제작될 수도 있다. 이 경우, 전자소자들 사이에는 예를 들면, fluorinated graphene 또는 graphene oxide 등과 같은 저유전체(low-k dielectric material)를 포함하는 절연층이 형성될 수 있다. 그리고, 이러한 절연층은 잉크젯 프린팅 방식으로 형성될 수 있다.
이상과 같이, 전자소자를 구성하는 게이트 전극(320), 게이트 절연층(330), 2차원 물질층(340) 및 제1 및 제2 전극(351,352)을 잉크젯 프린팅 방식으로 형성함으로써 보다 간단한 공정에 의해 전자소자를 제작할 수 있다. 또한, 잉크젯 프린팅 방식을 이용하면 2차원 물질층(340)을 큰 사이즈로 형성할 수 있으므로, 전자소자를 대면적으로 구현하는 것도 가능하다.
도 7은 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 평면도이다. 그리고, 도 8은 도 7의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 본 단면도이다. 도 7 및 도 8에는 전자소자의 일 예로서 탑 게이트(top-gate) 구조의 트랜지스터 소자가 도시되어 있다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 전자소자(400)는 기판(410)에 마련되는 2차원 물질층(440), 게이트 절연층(430), 게이트 전극(420) 및 제1 및 제2 전극(451,452)을 포함한다. 기판(410)으로는 반도체 기판 등과 같은 다양한 재질의 기판이 사용될 수 있으며, 플라스틱 기판 등과 같은 유연한 재질의 기판이 사용될 수도 있다. 이러한 기판(410)의 상면에는 기판(410)과 2차원 물질층(440) 사이의 절연을 위해 절연층(미도시)이 더 마련될 수 있다. 절연층은 예를 들면 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 기판(410)이 절연성 물질을 포함하는 경우에는 기판(410)의 상면에 절연층이 마련되지 않을 수 있다.
기판(410)에는 채널층의 역할을 수행하는 2차원 물질층(440)이 마련되어 있다. 전술한 바와 같이, 2차원 물질층(440)은 복수의 2차원 나노물질(441) 각각이 그 적어도 일부가 서로 중첩됨으로써 형성될 수 있다. 여기서, 2차원 나노물질(441)은 2차원 형태의 결정 구조를 가지는 것으로 반도체 특성을 가지는 나노 사이즈의 물질을 의미한다.
2차원 나노물질들(441) 각각은 하나의 층 또는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 2차원 나노물질들(441) 각각은 수십 개의 층으로 구성될 수도 있다. 여기서, 2차원 나노물질(441)을 구성하는 층들 각각은 대략 수 nm 이하의 두께의 가질 수 있으며, 수십nm ~ 수백nm 의 사이즈를 가질 수 있다. 이러한 2차원 나노물질(441)은 다양한 평면 형상을 가질 수 있다. 이러한 2차원 물질층(440)은 전술한 바와 같이, 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성된 2차원 물질층(440)은 그 두께는 대략 수nm ~ 수백nm 정도가 될 수 있으며, 그 사이즈는 대략 수백nm ~ 수백㎛ 정도가 될 수 있다.
2차원 물질층(440)은 반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들(441)을 포함한다. 예를 들면, 2차원 나노물질(441)은 TMD (Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene (Black Phosphorus), Germanane 및 Silicene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고, TMD는 예를 들면, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, TaS2, TaSe2, TiS2, TiSe2, HfS2, HfSe2, SnS2, SnSe2, GeS2, GeSe2, GaS2, GaSe2, Bi2S3, Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 이러한 2차원 물질층(440)을 트랜지스터 소자(400)의 채널층으로 사용하게 되면 on/off 전류비를 100 이상으로 증가시킬 수 있으므로, 전자 소자(400)의 동작 효율이 향상될 수 있다.
한편, 2차원 물질층(440)은 2차원 나노물질들(441) 외에 다른 물질이 더 포함할 수도 있다. 예를 들면, 2차원 물질층(440)은 복수의 2차원 나노물질(441)과 도전성 물질(미도시)을 포함할 수 있다. 여기서, 2차원 나노물질들(441) 각각은 적어도 일부가 서로 중첩하도록 마련되어 있으며, 도전성 물질은 2차원 나노물질들(441)에 부착되어 2차원 나노물질들(441) 사이의 전기전도도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 2차원 물질층(440) 내에 포함되는 도전성 물질은 예를 들면, 그래핀, 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 도전성 입자는 예를 들면, Ag, Au, Pt, Cu 및 플러렌으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 도전성 나노튜브는 예를 들면, CNTs를 포함할 수 있다. 그리고, 도전성 나노와이어는 예를 들면, Ag 나노와이어를 포함할 수 있다.
2차원 나노물질들(441)을 포함하거나 또는 2차원 나노물질들(441) 및 도전성 물질을 포함하는 2차원 물질층(440)에는 도핑물질(미도시)이 더 포함될 수 있다. 이러한 도핑 물질은 2차원 물질층(440)이 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성되는 경우에 잉크 내에 포함될 수 있다. 한편, 2차원 물질층(440)을 구성하는 2차원 나노물질들(441)이 불순물로 미리 도핑되어 있을 수도 있다.
게이트 절연층(430)은 2차원 물질층(440)을 덮도록 기판에 마련되어 있다. 이러한 게이트 절연층(430)은 다양한 절연물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 게이트 절연층(430)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 질산화물, 알루미늄 산화물, 하프늄 산화물, 절연성 폴리머 등을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 게이트 절연층(430)은 잉크젯 프린팅 방식이나 다른 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
게이트 절연층(430)에는 게이트 전극(420)이 마련되어 있다. 여기서, 게이트 전극(420)은 2차원 물질층(440)에 대응되는 위치에 마련될 수 있다. 이러한 게이트 전극(420)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 게이트 전극(420)은 그래핀, CNTs 또는 Ag, Au, Pt, Cu 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 게이트 절연층(430)은 잉크젯 프린팅 방식이나 다른 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
게이트 전극(420)의 양측에는 제1 및 제2 전극(451,452)이 마련되어 있다. 여기서, 제1 및 제2 전극(451,452)은 2차원 물질층(440)의 양측과 전기적으로 연결되도록 게이트 절연층(430)에 마련되어 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(451,452)은 각각 소스 전극 및 드레인 전극이 될 수 있다. 대체적으로(alternatively), 제1 및 제2 전극(451,452)은 각각 드레인 전극 및 소스 전극이 될 수도 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(451,452)은 게이트 전극(420)과 마찬가지로 도전성 물질을 포함할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 제1 및 제2 전극(451,452)은 잉크젯 프린팅 방식이나 다른 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 9는 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 것이다. 도 9에는 쇼트키 접합(schottky junction)을 형성하는 다이오드 소자가 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 전자소자(500)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(551,552)과, 제1 및 제2 전극(551,552)을 연결하는 2차원 물질층(540)을 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 전극(541,542)은 금속을 포함할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(541,542)은 잉크젯 프린팅 방식이나 다른 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
2차원 물질층(540)은 반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들(미도시)이 각각 적어도 일부가 중첩됨으로써 형성될 수 있다. 여기서, 2차원 물질층(540)은 전술한 바와 같이 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 이러한 2차원 물질층(540)에 대해서는 상세하게 전술되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 한편, 2차원 물질층(540)은 예를 들면, 그래핀, 도전성 입자, 도전성 나노튜브, 도전성 나노와이어 등과 같은 도전성 물질(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 그리고, 2차원 물질층(540)은 소정의 도핑 물질(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 이러한 도핑 물질은 2차원 물질층(540)이 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성되는 경우에 잉크 내에 포함될 수 있다. 한편, 2차원 물질층(540)을 구성하는 2차원 나노물질들 자체가 불순물로 미리 도핑되어 있을 수도 있다.
이와 같이, 2차원 물질층(540)은 반도체 특성을 가지므로 금속을 포함하는 제1 및 제2 전극(551,552)과 쇼트키 접합을 형성할 수 있다. 즉, 제1 전극(551)과 2차원 물질층(540)이 접하는 경계(540a) 및 제2 전극(552)과 2차원 물질층(540)이 접하는 경계(540b)에는 쇼트키 접합이 형성될 수 있다.
도 10은 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 것이다. 도 10에는 p-n 접합(p-n junction)을 형성하는 다이오드 소자가 도시되어 있다.
도 10을 참조하면, 전자소자(600)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(651,652)과, 제1 및 제2 전극(651,652)을 연결하는 2차원 물질층(640)을 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 전극(651,652)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(651,652)은 잉크젯 프린팅 방식이나 다른 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
2차원 물질층(640)은 제1 도전형(conductive type) 물질층(641)과 제2 도전형 물질층(642)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 도전형 물질층(641)은 제1 전극(651)과 제2 도전형 물질층(642) 사이를 전기적으로 연결하며, 제2 도전형 물질층(642)은 제2 전극(652)과 제1 도전형 물질층(641) 사이를 전기적으로 연결하도록 마련되어 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 도전형 물질층(641,642)은 그 일부가 서로 중첩되도록 마련될 수 있다. 이러한 제1 및 제2 도전형 물질층(641,642)은 예를 들면, 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성될 수 있다.
제1 도전형 물질층(641)은 2차원 나노물질들(미도시)과 제1 도전형 도핑물질(미도시)을 포함할 수 있다. 여기서, 2차원 나노물질들은 전술한 바와 같이 각각 적어도 일부가 서로 중첩되도록 마련될 수 있다. 그리고, 제1 도전형 도핑물질은 p형 불순물 또는 n형 불순물이 될 수 있다. 제1 도전형 물질층(641)이 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성되는 경우에는 제1 도전형 도핑물질은 2차원 나노물질들과 함께 잉크에 포함될 수 있다. 한편, 2차원 나노물질들이 미리 제1 도전형 도핑물질로 도핑된 다음, 잉크에 혼합되는 것도 가능하다.
제2 도전형 물질층(641)은 2차원 나노물질들(미도시)과 제2 도전형 도핑물질(미도시)을 포함할 수 있다. 2차원 나노물질들은 각각 적어도 일부가 서로 중첩되도록 마련될 수 있다. 그리고, 제2 도전형 도핑물질은 n형 불순물 또는 p형 불순물이 될 수 있다. 구체적으로, 제1 도전형 도핑물질이 p형 분순물인 경우에는 제2 도전형 도핑물질은 n형 불순물이 될 수 있다. 그리고, 제1 도전형 도핑물질이 n형 분순물인 경우에는 제2 도전형 도핑물질은 p형 불순물이 될 수 있다. 제2 도전형 물질층(642)이 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성되는 경우에는 제2 도전형 도핑물질은 2차원 나노물질들과 함께 잉크에 포함될 수 있다. 한편, 2차원 나노물질들이 미리 제2 도전형 도핑물질로 도핑된 다음, 잉크에 혼합되는 것도 가능하다. 이상과 같이, 2차원 물질층(640)을 구성하는 제1 도전형 물질층(641)과 제2 도전형 물질층(642)의 경계에는 p-n 접합이 형성될 수 있다.
도 11은 다른 예시적인 실시예에 따른 전자소자를 도시한 것이다. 도 11에는 특정 가스를 검출하는 센서 소자가 도시되어 있다.
도 11을 참조하면, 전자소자(700)는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(751,752)과, 제1 및 제2 전극(751,752)을 연결하는 2차원 물질층(740)을 포함한다. 여기서, 제1 및 제2 전극(751,752)은 도전성 물질을 포함할 수 있다. 이러한 제1 및 제2 전극(751,752)은 잉크젯 프린팅 방식이나 다른 증착 방법에 의해 형성될 수 있다.
2차원 물질층(740)은 반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들(미도시)이 각각 적어도 일부가 중첩됨으로써 형성될 수 있다. 여기서, 2차원 물질층(740)은 전술한 바와 같이 잉크젯 프린팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 이러한 2차원 물질층(740)에 대해서는 상세하게 전술되어 있으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 이와 같이, 반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들로 구성된 2차원 물질층(740)은 예를 들면, 수소나 산소 등과 같은 특정 가스를 선택적으로 흡착하는 가스 흡착판으로서의 역할을 할 수 있다. 따라서, 도 11에 도시된 센서 소자에서, 특정 가스가 2차원 물질층(740)에 흡착되면 제1 및 제2 전극(751,752)을 통해 특정 가스의 존재 여부를 검출할 수 있다.
이상의 실시예들에 의하면, 반도체 특성을 가지는 2차원 나노물질들을 포함하는 2차원 물질층을 채널층으로 사용함으로써 트랜지스터 소자 등과 같은 전자 소자의 동작효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 이러한 2차원 물질층은 다이오드 소자, 센서 소자 등과 같은 다양한 전자소자에도 응용될 수 있다. 2차원 물질층을 잉크젯 프린팅 방식으로 형성하게 되면 전자 소자를 대면적으로 구현할 수 있다. 더구나, 전자소자를 구성하는 요소들을 모두 잉크젯 프린팅 방식으로 형성함으로써 보다 간단한 공정에 의해 전자소자를 제작할 수 있다.
100,300,400,500,600,700.. 전자 소자
110,250,310,410.. 기판
120,320,420.. 게이트 전극
130,330,430.. 게이트 절연층
140,140',240,340,440,540,640,740.. 2차원 물질층
141,241,341,441.. 2차원 나노물질
142.. 도전성 물질
151,351,451,551,651,751.. 제1 전극
152,352,452,552,652,752.. 제2 전극
200.. 잉크젯 프린팅 장치
210.. 잉크젯 헤드
220.. 잉크챔버
230.. 2차원 물질층의 형성을 위한 잉크
230'.. 잉크패턴
242.. 용매
641.. 제1 도전형 물질층
642.. 제2 도전형 물질층

Claims (33)

  1. 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극;
    상기 제1 및 제2 전극을 연결하도록 마련되는 것으로, 그 각각이 적어도 일부가 서로 중첩된 복수의 2차원 나노물질(2D nano material)을 포함하는 2차원 물질층(2D material layer);을 포함하는 전자소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 나노물질은 반도체 특성을 가지는 전자소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층은 도전성 물질을 더 포함하는 전자소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도전성 물질은 그래핀(graphene), 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함하는 전자소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 도전성 입자는 Ag, Au, Pt, Cu 및 플러렌(fullerene)으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전자소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 도전성 나노튜브는 CNTs(carbon nanotubes)를 포함하는 전자소자.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 도전성 나노와이어는 Ag 나노와이어를 포함하는 전자소자.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층에서 상기 2차원 나노물질들의 함량은 50 vol% 이상인 전자소자.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층은 도핑물질(dopant)을 더 포함하는 전자소자.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차원 나노물질은 불순물로 도핑되어 있는 전자소자.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층은 채널층을 포함하는 전자소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층에 마련되는 게이트 절연층 및 상기 게이트 절연층에 마련되는 게이트 전극을 더 포함하는 전자소자.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극과 상기 2차원 물질층 사이에 쇼트키 접합(Schottky junction)이 형성되는 전자소자.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 2차원 나노물질들 사이에 p-n 접합(p-n junction)이 형성되는 전자소자.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 나노물질들 각각은 단층 또는 복층 구조를 가지는 전자소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 2차원 나노물질을 구성하는 층들 각각은 수nm 이하의 두께 및 수십nm ~ 수백nm의 사이즈를 가지는 전자소자.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층은 수nm ~ 수백nm의 두께 및 수백nm ~ 수백㎛의 사이즈를 가지는 전자소자.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 나노물질은 TMD (Transition Metal Dichalcogenide), Phosphorene (Black Phosphorus), Germanane 및 Silicene으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전자소자.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 TMD는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, TaS2, TaSe2, TiS2, TiSe2, HfS2, HfSe2, SnS2, SnSe2, GeS2, GeSe2, GaS2, GaSe2, Bi2S3, Bi2Se3 및 Bi2Te3으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전자소자.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극과 상기 2차원 물질층은 기판에 마련되어 있으며, 상기 기판은 유연한(flexible) 재질을 포함하는 전자소자.
  21. 반도체 특성을 가지며 그 각각이 적어도 일부가 서로 중첩된 복수의 2차원 나노물질을 포함하는 2차원 물질층을 잉크젯 프린팅을 이용하여 기판에 형성하는 단계; 및
    상기 2차원 물질층에 연결되는 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 전자소자의 제조방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층을 형성하는 단계는,
    상기 기판에 용매 및 상기 2차원 나노물질들을 포함하는 잉크를 토출시켜 잉크 패턴을 형성하는 단계; 및
    상기 잉크 패턴을 건조시켜 상기 2차원 물질층을 형성하는 단계;를 포함하는 전자소자의 제조방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 용매는 Water, Acetone, Methanol, Ethanol, Isopropanol, Cyclohexanone, Cyclohexane, Chlorobenzene, Chloroform, Formamide, N-methyl formamide, N-methyl pyrrolidinone, N-vinyl pyrrolidinone, Dimethylsulphoxide, Benzonitrile, Cyclohecyl-pyrrolidinone, N-dodecyl pyrrolidone, Benzyl Benzoate, Benzyl ether Bromobenzene, Dimethylacetamide 및 Dimethylformamide 으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전자소자의 제조방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 용매에 대한 상기 2차원 나노물질들의 혼합비율은 1㎍/mL ~ 100mg/mL 인 전자소자의 제조방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 잉크는 도전성 물질을 더 포함하는 전자소자의 제조방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 도전성 물질은 그래핀, 도전성 입자, 도전성 나노튜브 및 도전성 나노와이어 중 적어도 하나를 포함하는 전자소자의 제조방법.
  27. 제 22 항에 있어서,
    상기 잉크는 도핑물질을 더 포함하는 전자소자의 제조방법.
  28. 제 22 항에 있어서,
    상기 2차원 나노물질은 불순물로 도핑되어 있는 전자소자의 제조방법.
  29. 제 21 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 잉크젯 프린팅에 의해 형성되는 전자소자의 제조방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 그래핀, Ag 입자, Au 입자, Pt 입자, Cu 입자, CNTs(carbon nanotubes) 및 Ag 나노와이어로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전자소자의 제조방법.
  31. 제 21 항에 있어서,
    상기 2차원 물질층에 게이트 절연층을 형성하는 단계; 및
    상기 게이트 절연층에 게이트 전극을 형성하는 단계;를 더 포함하는 전자소자의 제조방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 게이트 절연층은 잉크젯 프린팅에 의해 형성되는 전자소자의 제조방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 게이트 전극은 잉크젯 프린팅에 의해 형성되는 전자소자의 제조방법.
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