KR20160149105A - 광전자소자 - Google Patents

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Abstract

광전자소자가 개시된다. 개시된 광전자소자는 산화물 반도체층, 및 이 산화물 반도체층과 스택 구조를 이루는 반도체성 이차원 물질층;을 포함한다.

Description

광전자소자{opto-electronic device}
광 반응성을 가지는 광전자소자가 개시된다.
광전자소자는 광 신호를 전기 신호로 변환시키는 것으로, 포토 다이오드(photo-diode) 등의 포토 디텍터, 광 트랜지스터 등을 포함한다. 일반적인 포토 디텍터는 실리콘 기판에 이온 주입 방식 등에 의하여 도핑 영역이 형성된 다층 구조의 반도체 박막을 포함하도록 형성된다. 이미지 센서는 광전자소자의 2차원 어레이로 구성되는데, 카메라, 동작 인식 카메라, 터치 패널 등 다양한 분야에 사용되고 있다.
이러한 다양한 분야에 적용하기 위해서는, 광전자소자는 넓은 스펙트럼 범위에서 광 검출이 가능해야 하며, 집적도를 향상시킬 수 있어야 하며, 대면적으로 제조 가능해야 한다. 광전자소자의 집적도를 향상시키기 위해, 단위 광전자소자의 사이즈 감소가 요구되는데, 사이즈가 감소하면, 수광부 면적도 감소되므로, 광 반응성이 중요하게 된다.
넓은 스펙트럼 응답성 및 높은 광 반응성을 가지는 광전자소자를 제공한다.
실시예에 따른 광전자소자는, 산화물 반도체층과; 상기 산화물 반도체층과 스택 구조를 이루는 반도체성 이차원 물질층과; 상기 산화물 반도체층이나 상기 반도체성 이차원 물질층과 전기적으로 연결되는 전극;을 포함한다.
상기 산화물 반도체층과 반도체성 이차원 물질층이 헤테로 구조를 이룰 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층은, 전이금속 다이칼코게나이드 물질을 포함할 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층은, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층은 1.2 내지 1.8 eV의 밴드갭을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 산화물 반도체층은, a-IGZO 및 ZnO 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체층은 3.0 eV 이상의 밴드갭을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층은 가시광 영역의 광을 흡수하며, 상기 산화물 반도체층은, 자외선 영역의 광을 흡수하도록 마련될 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층은 상기 산화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 전극은, 상기 반도체성 이차원 물질층 상의 복수 영역에 서로 이격되게 형성되는 복수의 상부 전극을 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체층 하부에 하부 전극 및 상기 하부 전극을 덮는 절연층을 더 구비하여, 광 트랜지스터를 형성할 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층은 상기 산화물 반도체층 상에 형성되며, 상기 전극은, 상기 반도체성 이차원 물질층을 관통하도록 형성되어, 복수의 영역에서 서로 이격되게 상기 산화물 반도체층에 직접적으로 컨택되는 복수의 상부 전극을 포함할 수 있다.
상기 산화물 반도체층 하부에 하부 전극 및 상기 하부 전극을 덮는 절연층을 더 구비하여, 광 트랜지스터를 형성할 수 있다.
상기 전극은, 상기 산화물 반도체층과 반도체성 이차원 물질층의 스택 구조의 상부와 하부에 각각 마련되어, 광 트랜지스터, 포토 디텍터, 광전자소자의 2차원 어레이를 포함하는 이미지 센서 중 어느 하나를 형성할 수 있다.
상기 산화물 반도체층은, 상기 반도체성 이차원 물질층에서 광흡수시 발생된 캐리어 이동이 이루어지는 채널층으로 사용될 수 있다.
실시예에 따른 광전자소자는 광흡수층을 산화물 반도체층과 반도체성 이차원 물질층의 스택 구조로 형성함으로써, 넓은 스펙트럼 응답성 및 높은 광 반응성을 가질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광전자소자를 개략적으로 보여준다.
도 2 및 도 3은 각각 헤테로 구조(heterostructured) MoS2/IGZO 스택에 대한 STEM-HAADF 이미지와 HRTEM 이미지를 보여준다.
도 4 내지 6은 실시예들에 따른 광전자소자를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 7은 고정된 파워에서 파장별 광을 조사했을 때, IGZO, MoS2, MoS2/IGZO 광 트랜지스터의 전도 특성(transfer characteristics)을 보여준다.
도 8은 IGZO, MoS2, MoS2/IGZO 광 트랜지스터의 파장에 따른 광 반응성(photoresponsivity) 특성을 보여준다.
도 9는 특정 파장의 광을 광파워를 달리하면서 조사했을 때, MoS2, MoS2/IGZO 광 트랜지스터의 광파워별 광유도(photoinduced) 전도 특성(transfer characteristics)을 보여준다.
도 10은 MoS2와 MoS2/IGZO 광 트랜지스터의 광파워에 따른 광 반응성(photoresponsivity) 변화를 보여준다.
도 11a 내지 도 11b는 MoS2/IGZO 광 트랜지스터에 펄스형 광을 조사할 때, 시간에 따른 광 반응 특성(photoresponse characteristics)을 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 실시예에 따른 광전자소자를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 각 층이나 영역들의 크기나 두께는 명확성을 위해 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하에서, 한 층이 기판이나 다른 층의 "위", "상부" 또는 "상"에 구비된다고 설명될 때, 그 층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 또 다른 층이 존재할 수도 있다.
실시예에 따른 광전자소자는 산화물 반도체층과 반도체성 이차원 물질층의 스택 구조를 가지며, 상기 산화물 반도체층과 반도체성 이차원 물질층의 스택 구조의 상부와 하부에 각각 전극을 마련함으로써, 광 트랜지스터, 포토 디텍터, 광전자소자의 2차원 어레이를 포함하는 이미지 센서 중 어느 하나를 형성할 수 있으며, 이외에도 넓은 스펙트럼 스펙트럼 응답성 및 높은 광 반응성을 요구하는 다양한 디바이스로 응용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광전자소자를 개략적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 광전자소자는, 산화물 반도체층(30), 이 산화물 반도체층(30)과 적층 구조를 이루는 반도체성 이차원 물질층(50) 및, 산화물 반도체층(30)이나 반도체성 이차원 물질층(50)에 전기적으로 연결되는 전극(60,70,80)을 포함한다. 상기 산화물 반도체층(30)과 반도체성 이차원 물질층(50)의 스택 구조는 기판(10) 상에 형성될 수 있다. 상기 기판(10) 상에 산화물 반도체층(30)이 형성되고, 이 산화물 반도체층(30) 상에 반도체성 이차원 물질층(50)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 산화물 반도체층(30)과 반도체성 이차원 물질층(50)은 헤테로 구조(heterostructured)를 이루도록 스택될 수 있다. 도 1 및 이하의 실시예들에서는 기판(10) 상에 산화물 반도체층(30)이 형성되고, 이 산화물 반도체층(30) 상에 반도체성 이차원 물질층(50)이 형성된 경우를 예를 들어 보여주는데, 스택 순서가 반대로 될 수도 있다. 예를 들어, 기판(10) 상에 반도체성 이차원 물질층(50)이 형성되고, 이 반도체성 이차원 물질층(50) 상에 산화물 반도체층(30)이 형성될 수 있다.
상기 기판(10)은 일반적인 반도체 소자를 제조하는데 사용되는 기판을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 실리콘 기판, 유리 기판, 플라스틱 기판, 절연성 폴리머 기판 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 광전자소자나 이러한 광전자소자의 어레이를 포함하는 디바이스 예컨대, 이미지 센서 등을 제조하기 위한 기판에 해당할 수 있다. 상기 기판(10)으로 실리콘 기판 등을 사용하는 경우, 절연층(20)이 더 형성될 수 있다. 도 1에서는 상기 기판(10)으로 실리콘 기판 등을 사용하고, 기판(10) 상에 절연층(20)을 더 형성한 경우를 예를 들어 보여준다.
상기 절연층(20)은 전기 전도도가 낮은 물질로 형성될 수 있으며, 일반적인 전자 소자의 층간 절연막(interlayer dielectric:ILD)으로 사용되는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연층(20)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 산화물보다 유전율이 높은 high-k 물질을 포함할 수 있으며, 실리콘 질화물, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 텅스텐 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 루세늄 산화물 등으로 형성될 수 있다. 또한, 절연층(20)은 절연성 폴리머로 형성될 수도 있다.
상기 산화물 반도체층(30)은, 광을 흡수하여 광전류를 발생시킬 수 있으며, 높은 캐리어 이동도를 가지도록 마련될 수 있다. 상기 산화물 반도체층(30)은, 예를 들어 Zn산화물 반도체, In산화물 반도체 또는 Ga산화물 반도체를 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체층(30)은 IGZO(In-Ga-Zn oxide) 또는 ZnO를 포함할 수 있다. 이하에서는, 상기 산화물 반도체층(30)이 IGZO로 형성되는 경우를 예를 들어 설명한다.
상기 산화물 반도체층(30)은, 대략 3.0eV 이상의 밴드갭을 가지도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 산화물 반도체층(30)은, 자외선 영역의 광을 흡수하여 광전류(photocurrent)를 발생시킬 수 있다. 한편, 상기 산화물 반도체층(30)은 높은 캐리어 이동도를 가지므로, 반도체성 이차원 물질층(50)에서 광을 흡수하여 발생된 캐리어에 대해 채널층으로서 역할을 할 수 있다.
상기 산화물 반도체층(30)은 예를 들어, 수 내지 수십 nm 정도의 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 산화물 반도체층(30)은 대략 10nm 정도의 두께로 비정질 IGZO(a-IGZO) 물질로 형성될 수 있다. a-IGZO는 대략 3.0 eV 이상의 밴드갭을 가진다. 이하에서, IGZO는 별다른 언급이 없는 한 a-IGZO를 의미할 수 있다. 여기서, 산화물 반도체층(30)의 두께는 수 내지 수십 nm 두께 범위로 한정되지 않으며, 원하는 파장대역의 광흡수 요구와 높은 캐리어 이동도를 만족하는 범위내에서 달라질 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층(50)은, 예를 들어, 전이금속 다이칼코게나이드(TMDC: transition-metal dichalcogenide) 물질을 포함하도록 형성될 수 있다. 전이금속 다이칼코게나이드 물질은 전이 금속과 두개의 칼코겐(chalcogen)으로 이루어진 화합물로서, 층내(in-plane)에는 강한 원자간 공유 결합으로 이루어져 있으며, 층간(interlayer)에는 약한 반데르발스 힘으로 연결된 층상구조(layered structure)를 이루고 있다. 이러한 전이금속 다이칼코게나이드 물질은 밴드갭(band gap)을 갖는 반도체 특성을 보인다.
상기 반도체성 이차원 물질층(50)은 전이 금속으로 Cr, Mo, W 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은 다른 종류의 전이 금속 예컨대, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 어느 하나를 포함할 수도 있다. 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은 칼코겐 물질은 S, Se, Te 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 중 어느 하나의 전이금속 다이칼코게나이드 물질을 포함할 수 있다. 이외에도 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은, 전이금속과 칼코겐 물질의 다양한 조합으로 된 전이금속 다이칼코게나이드 물질로 이루어질 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층(50)은 가시광 영역의 광을 흡수하도록 마련될 수 있다. 즉, 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은 대략 1.2 eV 내지 1.8 eV의 밴드갭을 가지도록 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은, 가시광 영역의 광을 흡수하여 광전류(photocurrent)를 발생시킬 수 있다. 이때, 반도체성 이차원 물질층(50)에서 발생된 광전류는 캐리어 이동도가 상대적으로 높은 산화물 반도체층(30)을 통하여 전달될 수 있다. 즉, 산화물 반도체층(30)은 반도체성 이차원 물질층(50)에 대해서도 채널층으로 역할을 할 수 있다.
상기 반도체성 이차원 물질층(50)은, 단층의 전이금속 다이칼코게나이드 물질로 이루어지거나, 복수층의 전이금속 다이칼코게나이드 물질로 이루어질 수 있다. 도 1에서는 반도체성 이차원 물질층(50)이 단층으로 형성된 경우를 예시적으로 보여준다. 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은 도 2 및 도 3에서와 같이, 대략 두층으로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은 두층 이상으로 형성될 수도 있다.
도 2 및 도 3은 산화물 반도체층(30) 상에 반도체성 이차원 물질층(50)이 적층된 구조일 때의 이미지를 보여주는 것으로, 산화물 반도체층(30)을 IGZO로 형성하고, 이 IGZO 상에 반도체성 이차원 물질층(50)으로 MoS2를 적층했을 때의, 헤테로 구조(heterostructured) MoS2/IGZO 스택에 대한 STEM-HAADF 이미지와 HRTEM 이미지를 각각 보여준다. STEM은 scanning TEM을 나타내며, HRTEM은 high-resolution TEM을 나타낸다. HAADF는 high-angle annular dark field의 약자이다. 도 2는 헤테로 구조의 MoS2/IGZO 스택을 STEM 모드로 HAADF TEM 분석한 이미지를 보여준다.
도 2 및 도 3의 헤테로 구조(heterostructured) MoS2/IGZO 스택에서는, IGZO층은 대략 10nm 두께를 가지며, MoS2층은 대략적으로 두층(bilayer)으로 이루어진 경우를 보여준다.
도 2 및 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 반도체성 이차원 물질층(50)은, 층상 구조를 이루도록 된 것으로, 층상 구조의 한층, 두층 또는 그 이상의 층으로 이루어질 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 상기 전극은 산화물 반도체층(30)에 대해 상방에 서로 이격되는 한쌍의 상부 전극(60)(70)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 산화물 반도체층(30)의 하부에 하부 전극(80)을 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 산화물 반도체층(30)에 대해 상방에 한쌍의 상부 전극(60)(70), 하방에 하부 전극(80)을 포함하는 경우, 실시예에 따른 광전자소자는 광 트랜지스터로서 작동할 수 있다. 광 트랜지스터로서 작동할 때, 한쌍의 상부 전극(60)(70)은 소스 전극 및 드레인 전극에 해당하며, 하부 전극(80)은 게이트 전극에 해당할 수 있다. 도 1에서는 하부 전극(80)이 기판(10) 아래에 위치하는 경우를 보여준다. 이 경우, 기판(10) 또는 기판(10) 상의 절연층(20)은 게이트 절연층으로서 역할을 하게 된다. 여기서, 하부 전극(80)은 기판(10)과 산화물 반도체층(30) 사이에 위치될 수도 있다.
상기 한쌍의 상부 전극(60)(70)은 전도성 물질, 예를 들어, 일반적인 전극 물질인 금속이나 도전성 산화물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 한쌍의 상부 전극(60)(70)은, Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W, Ni, Ta 또는 Cu와 같은 금속, 합금 또는 IZO(InZnO) 또는 AZO(AlZnO)와 같은 전도성 산화물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 한쌍의 상부 전극(60)(70)은 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 하부 전극(80)은, 전도성 물질, 예를 들어, 일반적인 전극 물질인 금속이나 도전성 산화물 등을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 전극(80)은, Ti, Pt, Ru, Au, Ag, Mo, Al, W, Ni, Ta 또는 Cu와 같은 금속 또는 IZO(InZnO) 또는 AZO(AlZnO)와 같은 전도성 산화물을 사용하여 형성될 수 있다.
도 4 및 도 5는 실시예들에 따른 광전자소자를 개략적으로 보인 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 광전자소자가 산화물 반도체층(30) 상에 반도체성 이차원 물질층(50)이 위치되는 헤테로 구조를 가질 때, 상부 전극(60)(70)은 반도체성 이차원 물질층(50)을 통하여 간접적으로 산화물 반도체층(30)에 전기적으로 연결되게 형성되거나, 산화물 반도체층(30)에 직접적으로 컨택되게 형성될 수 있다.
도 4에서는 상부 전극(60)(70)이 반도체성 이차원 물질층(50) 상의 복수 영역에서 서로 이격되게 형성되며, 반도체성 이차원 물질층(50)을 통하여 간접적으로 산화물 반도체층(30)에 전기적으로 연결되게 형성되는 예를 보여준다. 도 5는 상부 전극(60)(70)이 복수의 영역에서 서로 이격되게 산화물 반도체층(30)에 직접적으로 컨택되도록, 반도체성 이차원 물질층(50)을 관통하도록 형성된 예를 보여준다.
한편, 도 1, 도 4 및 도 5에서는 기판(10) 하면에 하부 전극(80)이 위치되는 경우를 보여주는데, 하부 전극(80)은 기판(10)과 산화물 반도체층(30) 사이에 위치될 수도 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 광전자소자를 개략적으로 보여준다. 도 6은 도 4와 비교할 때, 하부 전극(180)이 기판(10)과 산화물 반도체층(30) 사이에 위치하는 점에 차이가 있다. 하부 전극(180)이 기판(10)과 산화물 반도체층(30) 사이에 위치하는 구조는 도 5에서와 같이, 상부 전극(60)(70)이 산화물 반도체층(30)에 직접적으로 컨택되도록 형성되는 경우에도 적용될 수 있는데, 이러한 적용예는 도 5 및 도 6으로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 그 도시를 생략한다.
도 6에서와 같이, 하부 전극(180)이 기판(10)과 산화물 반도체층(30) 사이에 위치되는 경우, 하부 전극(80)과 산화물 반도체층(30) 사이에 절연층(100)이 더 형성될 수 있다. 이때, 절연층(100)은 하부 전극(180)을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 절연층(100)은 게이트 절연층으로서 역할을 할 수 있다.
상기 절연층(100)은 통상적인 반도체 소자에 사용되는 절연 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(100)은 SiO2이나 SiO2보다 유전율이 높은 High-K 물질인 HfO2, Al2O3, Si3N4 등을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 절연층(100)은 단일층 또는 다층 구조를 가질 수 있다.
여기서, 상기 기판(10)을 절연성 기판으로 구비하여 별도의 절연층(20)이 불필요한 경우, 하부 전극(180)은 기판(10)과 절연층(100) 사이에 형성되어, 절연층(100)이 게이트 절연층으로서 역할을 할 수도 있다. 이 경우, 상기 절연층(20)은 생략될 수 있다.
상기한 바와 같은 실시예에 따른 광전자소자에 따르면, 예를 들어, 반도체성 이차원 물질층(50)이 MoS2를 포함하고, 산화물 반도체층(30)이 IGZO를 포함하도록, 반도체성 이차원 물질층(50) 및 산화물 반도체층(30)의 스택 구조를 MoS2/a-IGZO 스택 구조로 형성함으로써, 반도체성 이차원 물질층(50)은 가시광 흡수층으로 사용하고, 산화물 반도체층(30)은 UV 흡수층임과 동시에 고성능 트랜지스터의 채널층으로서 역할을 수 있다. 즉, 반도체성 이차원 물질층(50)에서 광흡수에 의해 발생된 캐리어는 산화물 반도체층(30)을 통해 이동될 수 있다.
이때, 상기 반도체성 이차원 물질층(50)은, MoS2의 적층수를 한층 내지 두층 정도의 소수의 층으로 형성하는 경우에도, 원하는 가시광 흡수도를 얻을 수 있으므로, 스핀 코팅에 바탕을 두고 용액 공정으로 합성될 수 있다. 따라서, 예컨대, 스핀 코팅에 바탕을 두고 용액 공정으로 합성되어 얻어진 소수층(few-layered)의 MoS2 박막을 예컨대, 스퍼터링 증착법 등으로 형성된 IGZO 박막 상에 전사함으로써, 헤테로 구조의 MoS2/a-IGZO 스택으로 이루어진 반도체성 이차원 물질층(50)/산화물 반도체층(30)의 스택 구조가 얻어질 수 있다.
이와 같이, 상기 반도체성 이차원 물질층(50)을 층상 물질로 된 소수의 층으로 형성하면, 스핀 코팅에 의해 대면적으로 제조가 가능하다. 즉, 실시예에 따른 광전자소자는 대면적으로 제조가 가능하다.
또한, 실시예에 따른 광전자소자는, 가시광 영역 및 자외선 영역의 광을 흡수하여 광전류(photocurrent)를 발생시킬 수 있으므로, 넓은 스펙트럼 범위에서 광 검출이 가능하다. 또한, 반도체성 이차원 물질층(50)에 대해 산화물 반도체층(30)이 채널층으로 사용될 수 있으므로, 광 반응성이 좋아 수광부 면적을 작게 할 수 있으며, 이에 따라 광전자소자의 집적도를 높일 수 있다.
실시예에 따른 광전자소자는 다음 과정을 통해 제조될 수 있다. 여기서, 각 층의 두께는 예시적으로 나타낸 것일 뿐, 실시예에 따른 광전자소자의 층 두께가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 여기에서 설명하는 제조 과정은 실시예에 따른 광전자소자를 제조하는 여러 방식 중 하나를 구체적인 예를 들어 설명하는 것일 뿐, 실시예에 따른 광전자소자를 제조하는 과정이 이에 한정되는 것은 아니다.
약 10nm 두께의 IGZO박막이 열적 성장된 대략 300nm 두께의 SiO2박막으로 덮인 p형 실리콘 웨이퍼 상에 증착될 수 있다. 이때, p형 실리콘 웨이퍼는 고도로 퇴화된 상태일 수 있다. 또한, IGZO 박막은 예를 들어, RF 자마그네트론 스퍼터링 방법을 사용하여 증착될 수 있다. 소스 및 드레인 전극이 각각 예컨대, 약 100μm 및 약 50μm의 채널 폭과 길이를 가지도록, 포토리소그래피 리프트-오프 공정으로 약 80nm 두께의 Al을 열적 증발(thermal evaporation)함으로써, 패터닝될 수 있다. 소수층(few-layered) MoS2박막이 따라 용액 공정을 통해 합성되고, 준비된 패터닝된 기판 상에 전사될 수 있다. 용액 공정을 통해 소수층의 MoS2 박막 합성은 스핀 코팅 및 열분해 공정을 통해 이루어질 수 있다. MoS2 스핀 코팅 용액은 예를 들어, 용액(dimethylformamide : butylamine : aminoethanol = 1: 1: 0.2, 부피 비율)으로 (NH4)2MoS4를 용해함으로써 0.006 M 농도가 되도록 만들어지고, 산소 플라즈마로 전처리된 SiO2/Si 기판상에 스핀 코팅될 수 있다. 이러한 스핀 코팅된 박막은 고결정성의 화학량론적인 MoS2박막이 얻어지도록 예를 들어 두 단계에 걸쳐 어닐링될 수 있다. 이러한 방식으로 합성된 MoS2 박막은 IGZO 면상에 전사될 수 있다. 전사는 PMMA 지지층을 이용하고, 전사후 PMMA 지지층은 제거될 수 있다.
상기와 같이 스핀 코팅 방식을 이용하여 소수층의 MoS2 박막을 형성하고, 이를 IGZO 층상에 전사하여 MoS2/IGZO 헤테로 구조를 형성하므로, MoS2 박막을 대면적으로 제조하는 것이 가능하다. IGZO층은 예를 들어, 스퍼터링 등의 증착 방식으로 형성할 수 있으므로, 또한 대면적 제조가 가능하다. 따라서, 실시예에 따른 광전자소자는 대면적 제조가 가능하다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 실시예에 따른 광전자소자에 적용되는 반도체성 이차원 물질층(50) 및 산화물 반도체층(30)의 스택 구조를 헤테로 구조의 MoS2/IGZO 스택으로 형성 할 때, 전기적 특성 데이터를 살펴본다.
도 7은 고정된 파워에서 파장별 광을 조사했을 때, IGZO, MoS2, MoS2/IGZO 광 트랜지스터의 전도 특성(transfer characteristics)을 보여준다. 도 7에서 좌측의 그래프는 광 트랜지스터의 광흡수층을 IGZO층만으로 형성할 때, 가운데의 그래프는 광 트랜지스터의 광흡수층을 MoS2층만으로 형성할 때, 우측의 그래프는 광 트랜지스터의 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때, 조사광의 파워를 약 0.5mW로 고정하고, 대략 405nm에서 980nm 범위의 파장별 광을 조사했을 때, 파장별 게이트 전압에 따른 드레인 전류 변화를 보여준다.
광흡수층을 IGZO층만으로 형성하는 경우에는 대략 405nm 파장 이하의 광 파장에 대해 반응함을 알 수 있다. 이에 반해 광흡수층을 헤테로 구조의 IGZO/MoS2의 스택으로 형성한 경우, 대략 785nm 이하인 가시광 영역부터 광 파장에 대해 반응함을 알 수 있다. 따라서, 광흡수층을 IGZO층만으로 할 때 가시광 영역에서의 낮은 광 반응성을 반도체성 이차원 물질층(50)과의 헤테로 구조를 통해 극복할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때, 가시광 영역에서 자외선 영역에 이르는 범위에서, 광전류가 광흡수층을 MoS2만으로 형성할 때에 비해 크게 증가함을 알 수 있다.
도 8은 IGZO, MoS2, MoS2/IGZO 광 트랜지스터의 파장에 따른 광 반응성(photoresponsivity) 특성을 보여준다. 도 8의 그래프는, 게이트 전압(VG) = -10V로 두고 얻어진 것이다.
도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때, 가시광 영역에서 자외선 영역에 이르는 범위에서, 광반응성이 광흡수층을 IGZO나 MoS2만으로 형성할 때에 비해 크게 증가함을 알 수 있다. 도 8의 도면에서, 박스 안에 작게 표시된 그래프는 광 검출도(photodetectivity: D*)를 보여준다. 광 검출도 특성도 반응성과 유사하게, 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때, 가시광 영역에서 자외선 영역에 이르는 범위에서, 광전류가 광흡수층을 IGZO나 MoS2만으로 형성할 때에 비해 크게 증가함을 알 수 있다.
도 9는 특정 파장의 광을 광파워를 달리하면서 조사했을 때, MoS2, MoS2/IGZO 광 트랜지스터의 광파워별 광유도(photoinduced) 전도 특성(transfer characteristics)을 보여준다. 도 9에서 좌측의 그래프는 광 트랜지스터의 광흡수층을 MoS2층만으로 형성할 때, 우측의 그래프는 광 트랜지스터의 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때, 파장이 약 520nm인 조사광의 파워를 각각 0.001mW, 0.01mW, 0.05mW, 0.1mW, 0.5mW, 1mW, 2mW로 변화시킬 때, 광 파워별 게이트 전압에 따른 드레인 전류 변화를 보여준다. 광흡수층을 MoS2만으로 형성하는 경우에 비해, 광흡수층을 IGZO/MoS2의 헤테로 구조로 한 경우, 전도 특성이 크게 높아짐을 알 수 있다.
또한, 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때, 동일 광파워에 대해 광전류가 광흡수층을 MoS2만으로 형성할 때에 비해 크게 증가함을 알 수 있다. 또한, 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때에도 광파워에 따라 광전류가 증가함을 알 수 있다.
도 10은 MoS2와 MoS2/IGZO 광 트랜지스터의 광파워에 따른 광 반응성(photoresponsivity) 변화를 보여준다. 도 10의 그래프는, 게이트 전압(VG) = -10V로 두고 얻어진 것이다.
도 10에서 알 수 있는 바와 같이, 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때, 광반응성이 광흡수층을 MoS2만으로 형성할 때와 마찬가지로, 광파워 증가에 따라 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 도 10의 도면에서, 박스 안에 작게 표시된 그래프는 광 검출도(photodetectivity: D*)를 보여준다. 광 검출도 특성도 광반응성과 유사하게, 광흡수층을 MoS2/IGZO 헤테로 구조로 형성할 때, 광흡수층을 MoS2만으로 형성할 때와 마찬가지로, 광파워 증가에 따라 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다.
도 11a 내지 도 11b는 MoS2/IGZO 광 트랜지스터에 펄스형 광을 조사할 때, 시간에 따른 광 반응 특성(photoresponse characteristics)을 보여준다. 도 11a 내지 도 11b의 그래프는 광파워 0.5mW이고, 파장(λ)이 약 520nm인 레이저 펄스를 조사할 때 얻어진 것이다. 도 11a 내지 도 11b는 각각 게이트 전극에 약 40V의 리셋 전압 펄스 즉, 게이트 펄스(VG = 40V)를 적용하지 않았을 때와 적용했을 때, 레이저 펄스 조사에 대해, 시간에 따른 광전류(Photocurrent) 변화를 보여준다.
도 11a 내지 도 11b에서 알 수 있는 바와 같이, MoS2/IGZO 광 트랜지스터는 펄스형 광에 충분히 반응하는 전도 특성을 가짐을 알 수 있다.
이상에서는 실시예에 따른 광전자소자가 광 트랜지스터를 형성하는 경우를 예를 들어 설명 및 도시하였는데, 이는 예시로서 보인 것일 뿐이며, 실시예에 따른 광전자소자는 광 트랜지스터에 한정되지 않는다. 실시예에 따른 광전자소자는 전극 구조를 변경함으로써, 예를 들어, 포토 다이오드(photo-diode) 등의 포토 디텍터로 구현될 수 있다. 또한, 전극 구조를 패터닝함으로써, 광전자소자의 2차원 어레이를 가지는 이미지 센서나, 터치 패널 등 다양한 장치로 응용될 수 있다.
10...기판 20,100...절연층
30...산화물 반도체층 50...반도체성 이차원 물질층
60,70...상부 전극 80,180...하부 전극

Claims (20)

  1. 산화물 반도체층과;
    상기 산화물 반도체층과 스택 구조를 이루는 반도체성 이차원 물질층과;
    상기 산화물 반도체층이나 상기 반도체성 이차원 물질층과 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하는 광전자소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산화물 반도체층과 반도체성 이차원 물질층이 헤테로 구조를 이루는 광전자소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은, 전이금속 다이칼코게나이드 물질을 포함하는 광전자소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은, MoS2, MoSe2, WS2, WSe2 중 어느 하나를 포함하는 광전자소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은 1.2 내지 1.8 eV의 밴드갭을 가지도록 형성되는 광전자소자.
  6. 제3항에 있어서, 상기 산화물 반도체층은, a-IGZO 및 ZnO 중 어느 하나를 포함하는 광전자소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산화물 반도체층은 3.0 eV 이상의 밴드갭을 가지도록 형성되는 광전자소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은 1.2 내지 1.8 eV의 밴드갭을 가지도록 형성되는 광전자소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 산화물 반도체층은, a-IGZO 및 ZnO 중 어느 하나를 포함하는 광전자소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 산화물 반도체층은 3.0 eV 이상의 밴드갭을 가지도록 형성되는 광전자소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은 1.2 내지 1.8 eV의 밴드갭을 가지도록 형성되는 광전자소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은 1.2 내지 1.8 eV의 밴드갭을 가지도록 형성되고,
    상기 산화물 반도체층은 3.0 eV 이상의 밴드갭을 가지도록 형성되는 광전자소자.
  13. 제1항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은 가시광 영역의 광을 흡수하며,
    상기 산화물 반도체층은, 자외선 영역의 광을 흡수하도록 된 광전자소자.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은 상기 산화물 반도체층 상에 형성되며,
    상기 전극은, 상기 반도체성 이차원 물질층 상의 복수 영역에 서로 이격되게 형성되는 복수의 상부 전극을 포함하는 광전자소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 산화물 반도체층 하부에 하부 전극 및 상기 하부 전극을 덮는 절연층을 더 구비하여, 광 트랜지스터를 형성하는 광전자소자.
  16. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은 상기 산화물 반도체층 상에 형성되며,
    상기 전극은, 상기 반도체성 이차원 물질층을 관통하도록 형성되어, 복수의 영역에서 서로 이격되게 상기 산화물 반도체층에 직접적으로 컨택되는 복수의 상부 전극을 포함하는 광전자소자.
  17. 제16항에 있어서, 상기 산화물 반도체층 하부에 하부 전극 및 상기 하부 전극을 덮는 절연층을 더 구비하여, 광 트랜지스터를 형성하는 광전자소자.
  18. 제1항에 있어서, 상기 전극은, 상기 산화물 반도체층과 반도체성 이차원 물질층의 스택 구조의 상부와 하부에 각각 마련되어, 광 트랜지스터, 포토 디텍터, 광전자소자의 2차원 어레이를 포함하는 이미지 센서 중 어느 하나를 형성하는 광전자소자.
  19. 제1항에 있어서, 상기 산화물 반도체층은,
    상기 반도체성 이차원 물질층에서 광흡수시 발생된 캐리어 이동이 이루어지는 채널층으로 사용되는 광전자소자.
  20. 제19항에 있어서, 상기 반도체성 이차원 물질층은 가시광 영역의 광을 흡수하며,
    상기 산화물 반도체층은, 자외선 영역의 광을 흡수하도록 된 광전자소자.
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