KR20170130646A - 그래핀을 이용하여 포토 트랜지스터를 제작하는 방법 및 포토 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
소스와 연결된 그래핀 층, 드레인과 연결된 제 1 층 및 그래핀 층 및 제 1 층을 연결하는 터널링 배리어를 포함하는 채널을 포함하는 포토 트랜지스터 및 이를 제작하기 위한 방법이 제공된다. 포토 트랜지스터는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET) 구조를 갖는다.
Description
기술 분야는 포토 트랜지스터를 제작하는 기술에 관한 것으로, 특히 그래핀을 이용한 채널을 포함하는 포토 트랜지스터에 관한 것이다.
적외선을 감지하는 적외선 센서는 열 감지 타입과 광자 감지 타입을 포함한다. 열 감지 타입은 감지 소자에 의해 흡수된 적외선 에너지에 의해 발생하는 온도 상승에 따라 변화되는 전기 전도도 및 열 팽창 등을 측정하여 적외선을 감지한다. 광자 감지 타입은 반도체에 입사된 적외선에 의해 생성된 전자를 높은 에너지 준위로 여기시킴으로써 얻어지는 전기적 신호를 감지함으로써 적외선을 감시한다. 광자 감지 타입은 열 감지 타입에 비해 더 빠른 응답 속도 및 높은 응답도를 가지는 장점이 있다. 그러나, 광자 감지 타입은 특정한 파장을 검출하기 위해서만 이용되고, 200K 이하의 저온에서 동작하는 단점이 있다.
한국공개특허 제10-2013-0058882호(공개일 2013년 06월 05일)에는 그래핀 패턴을 이용하여 적외선을 검출하는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자가 개시된다. 공개 발명은 기판, 기판 상에 형성되며 그래핀으로 구성되거나 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질로 구성된 그래핀 패턴, 그래핀 패턴의 일단부에 형성되는 제 1 전극, 및 그래핀 패턴의 타단부에 형성되는 제 2 전극을 포함한다. 공개 발명은 종래 반도체형의 적외선 검출 소자에 비해 반응속도가 우수하고 검출 감도 특성이 향상된 새로운 구조의 적외선 검출 소자를 제공한다.
일 실시예는 포토 트랜지스터를 제공할 수 있다..
일 실시예는 포토 트랜지스터를 생성하는 방법을 제공할 수 있다.
일 측면에 따르면, 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET) 구조를 갖는 포토 트랜지스터는, 게이트(gate)와 연결된 절연층; 및 상기 절연층과 연결되고, 소스(Source) 및 드레인(drain)을 연결하는 채널(channel)을 포함하고, 상기 채널은, 상기 소스와 연결된 그래핀 층; 상기 드레인과 연결된 제 1 층; 및 상기 그래핀 층 및 상기 제 1 층을 연결하는 터널링 배리어(tunneling barrier)를 포함한다.
상기 게이트에는, 상기 그래핀 층의 페르미 준위(Fermi level)를 낮춰주기 위한 소정의 전압이 인가될 수 있다.
상기 소정의 전압은, 음의 전압(negative bias)일 수 있다.
상기 제 1 층은, 그래핀, 반도체, 이차원 물질 및 반도체 박막 중 어느 하나를 이용하여 생성될 수 있다.
상기 제 1 층이 상기 반도체 박막을 이용하여 생성된 경우, 상기 반도체 박막의 두께는, 상기 포토 트랜지스터를 이용하여 센싱되는 광의 파장 및 상기 반도체 박막의 굴절률에 기반하여 결정될 수 있다.
상기 터널링 배리어는, 이차원 물질, 반도체 및 절연체 박막 중 어느 하나를 이용하여 생성될 수 있다.
상기 이차원 물질은, 보론나이트라이드(Boron Nitride; BN)일 수 있다.
다른 일 측면에 따른, 포토 트랜지스터를 제작하는 방법은, 게이트(gate)와 연결된 절연층을 생성하는 단계; 및 상기 절연층과 연결되고, 소스(Source) 및 드레인(drain)을 연결하는 채널(channel)을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 채널을 생성하는 단계는, 상기 소스와 연결된 그래핀 층을 생성하는 단계; 상기 그래핀 층과 연결된 터널링 배리어(tunneling barrier)를 생성하는 단계; 및 상기 터널링 배리어 및 상기 드레인을 연결하는 제 1 층을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 제 1 층을 생성하는 단계는, 반도체, 이차원 물질 및 반도체 박막 중 어느 하나를 이용하여 상기 제 1 층을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 터널링 배리어를 생성하는 단계는, 이차원 물질, 반도체 및 절연체 박막 중 어느 하나를 이용하여 상기 터널링 배리어를 생성할 수 있다.
그래핀을 이용하여 생성된 채널을 포함하는 포토 트랜지스터가 제공될 수 있다..
그래핀을 이용하여 생성된 채널을 포함하는 포토 트랜지스터를 생성하는 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 일 예에 따른 적외선을 수신하는 광 센서를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 포토 트랜지스터의 단면을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 그래핀을 이용한 채널을 포함하는 포토 트랜지스터의 단면을 도시한다.
도 4는 일 예에 따른 게이트 전압에 따라 변화한 그래핀의 페르미 준위를 도시한다.
도 5는 일 예에 따른 제 1 층이 그래핀으로 생성된 경우 채널에서 발생하는 광 전류가 이동하는 방법을 도시한다.
도 6은 일 예에 따른 제 1 층이 반도체로 생성된 경우 채널에서 발생하는 광 전류가 이동하는 방법을 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 포토 트랜지스터를 제작하는 방법의 흐름도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 포토 트랜지스터의 단면을 도시한다.
도 3은 일 실시예에 따른 그래핀을 이용한 채널을 포함하는 포토 트랜지스터의 단면을 도시한다.
도 4는 일 예에 따른 게이트 전압에 따라 변화한 그래핀의 페르미 준위를 도시한다.
도 5는 일 예에 따른 제 1 층이 그래핀으로 생성된 경우 채널에서 발생하는 광 전류가 이동하는 방법을 도시한다.
도 6은 일 예에 따른 제 1 층이 반도체로 생성된 경우 채널에서 발생하는 광 전류가 이동하는 방법을 도시한다.
도 7은 일 실시예에 따른 포토 트랜지스터를 제작하는 방법의 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 일 예에 따른 적외선을 수신하는 광 센서를 도시한다.
광 센서(photo sensor)(100)는 광 센서(100)에 입사된 적외선을 감지한다. 예를 들어, 광 센서(100)는 포토 트랜지스터(photo transistor)(110)를 이용하여 적외선을 감지한다. 포토 트랜지스터(110)는 포토 트랜지스터(110)에 입사된 적외선에 의해 생성된 전자가 높은 에너지 준위(energy level)로 여기(excited)되어 발생하는 전기적 신호를 검출함으로써 적외선을 감지한다. 예를 들어, 발생하는 전기적 신호는 광 전류(photo current)일 수 있다.
포토 트랜지스터(110)의 물질에 따라, 전기적 신호가 발생되는 조건이 다양하게 변화할 수 있다. 예를 들어, 반도체는 밴드 갭(band gap)을 가지고 있으므로, 특정한 조건이 만족되는 경우에만 광 전류가 발생될 수 있다. 다른 예로, 포토 트랜지스터(110)에 그래핀(graphene)이 이용될 수 있다. 그래핀은 실리콘에 비해 약 100배 이상인 캐리어 이동도를 가지고, 우수한 전기적 특성 및 광학적 특성을 가지고 있다. 그래핀은 밴드 갭이 없기 때문에 이론적으로 모든 파장의 광을 흡수할 수 있다. 그래핀은 밴드 갭이 없는 준금속의 전자 구조를 가지고 있어서 광에 의해 여기된 캐리어들의 생존시간(lifetime)이 매우 짧다. 이에 따라, 그래핀은 안정적인 광 전류를 생성하지 못할 수 있다. 또한, 그래핀을 기반으로 하는 적외선 센싱 기술은 열 에너지에 의해 발생하는 잡음 전류(noise current)에 의해 응답도가 저하될 수 있다.
아래에서 도 2 내지 도 7을 참조하여, 그래핀의 페르미 준위(Fermi level)을 조절함으로써, 잡음 전류를 감소시키고, 2 내지 14 ㎛의 광대역 적외선을 고감도로 센싱하는 포토 트랜지스터가 상세히 설명된다.
도 2는 일 실시예에 따른 포토 트랜지스터의 단면을 도시한다.
포토 트랜지스터(200)는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET) 구조를 가진다. 포토 트랜지스터(200)는 p-n-p 또는 n-p-n의 구조를 가질 수 있다. 또한, 도 2에서는 게이트가 바닥에 위치하는 구조의 포토 트랜지스터가 도시되었으나, 게이트가 상단에 위치하는 구조의 포토 트랜지스터일 수도 있다.
포토 트랜지스터(200)는 게이트(210), 소스(240) 및 드레인(250)을 포함하고, 추가적으로 절연층(220) 및 채널(230)을 포함한다. 절연층(220)은 실리콘 기판 및 실리콘 기판 상에 형성된 산화막을 포함한다. 예를 들어, 절연층(220)은 SOI(silicon-On-Insulator)일 수 있다. 채널(230)은 포토 트랜지스터(200)에 전압이 가해지지 않은 경우에는 부도체로써 행동하여 소스(240) 및 드레인(250) 간에 전자가 이동하지 않도록 하고, 포토 트랜지스터(200)에 일정 전압 이상이 가해지는 경우에는 도체로써 행동하여 소스(240) 및 드레인(250) 간에 전자가 이동하게 한다. 예를 들어, 채널(230)은 복수의 층들을 포함하고, 복수의 층들 간에 터널링(tunneling)이 발생함으로써 전자가 이동할 수 있다. 복수의 층들을 포함하는 채널(230)에 대해, 아래에서 도 3 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명된다.
도 3은 일 실시예에 따른 그래핀을 이용한 채널을 포함하는 포토 트랜지스터의 단면을 도시한다.
포토 트랜지스터(300)는 도 2에서 전술된 포토 트랜지스터(200)에 대응한다. 예를 들어, 게이트(310), 절연층(320), 소스(340) 및 드레인(350)은 게이트(210), 절연층(220), 소스(240) 및 드레인(250)에 각각 대응한다. 그래핀 층(332), 터널링 배리어(334) 및 제 1 층(336)은 도 2에서 전술된 채널(230)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 채널(230)은 그래핀 층(332), 터널링 배리어(334) 및 제 1 층(336)을 포함할 수 있다. 포토 트랜지스터(300)가 동작할 때, 게이트(310)에는 그래핀 층의 페르미 준위를 낮춰주기 위한 소정의 전압(bias voltage)이 인가될 수 있다.
그래핀 층(332)은 소스(340)와 연결될 수 있다. 여기에서, 용어 "연결"은 물리적으로 맞닿아 있는 것을 의미한다. 예를 들어, 그래핀 층(3320)는 소스(340)와 물리적으로 맞닿아 있다. 그래핀 층(332)은 절연층(320) 및 소스(340) 사이에 위치할 수 있다. 여기에서 "c가 a 및 b 사이에 위치하는 것"은 서로 연결되지 않은 a 및 b 사이에 c가 a 및 b와 각각 연결되는 것을 의미한다. 그래핀 층(332)은 이차원 물질(two dimensional material)을 이용하여 생성된 층이다. 여기에서, "층이 생성되는 것"은 반도체의 생성 기술을 이용하여 층을 생성하는 것을 의미하며, 예를 들어, 층은 에칭(etching)과 같은 방법을 이용하여 생성될 수 있으나, 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이차원 물질은 TMDC(Transition Metal DiChalcogenides)일 수 있다. TMDC는 화학식으로 MX2인 물질군이고, M은 전이금속 4, 5, 및 6족이며, X는 칼코겐족 형태이다. 예를 들어, M은 Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, 및 W 등일 수 있고, X는 S, Se 및 Te 일 수 있다. 예를 들어, TMDC는 MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, 및WTe2 등일 수 있다. MX2의 물질들은 한 개의 금속 원자층과 두 개의 칼코겐 원자층으로 구성되어 X-M-X형태의 단위 층을 기반으로 적층 구조를 이루고 있다. MX2는 적층 구조의 대칭성에 따라 육각형 대칭(2H), 마름모계 대칭(3R), 그리고 정방정계 대칭(1T)로 나누어진다. 다른 예로, 이차원 물질은 그래핀일 수 있다. 그래핀의 성질에 대한 설명은 포토 트랜지스터에 대한 기술 분야의 당업자에게 자명한 사항이므로 이하에서 생략한다.
터널링 배리어(tunneling barrier)(334)는 그래핀 층(332) 및 제 1 층(336) 사이에 위치할 수 있다. 터널링 배리어(334)는 소정의 밴드 갭(band gap)을 갖는 물질 층이다. 터널링 배리어(334)가 이차원 물질, 반도체 및 절연체 박막 중 어느 하나를 이용하여 생성될 수 있다.
예를 들어, 터널링 배리어(334)는 이차원 물질을 포함할 수 있다. 터널링 배리어(334)의 이차원 물질은 그래핀이 아닌 다른 물질일 수 있다. 예를 들어, 터널링 배리어(334)의 이차원 물질은 보론나이트라이드(boron nitride; BN), 헥사고날-보론나이트라이드(hexagonal boron nitride; h-BN), MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, GaS 및 GaSe 중 어느 하나일 수 있다. BN 또는 h-BN은 5.9 eV의 밴드 갭을 가지고 있고, 이차원 구조를 가지고 있어서 그래핀 상에 스태킹(staking)하여 터널링 배리어(334)로 이용될 수 있다. 다른 예로, 터널링 배리어(334)는 TMDC를 포함할 수 있다. 터널링 배리어(334)가 이차원 물질로 생성된 경우, 터널링 배리어(334)는 이차원 물질의 단층 또는 수 층(few layers)이 적층된 복층 구조를 가질 수 있다.
다른 예로, 터널링 배리어(334)는 이차원 물질이 아닌 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 밴드 갭이 1.0 eV (또는 2.0 eV) 보다 큰 유전체(ex, 산화물)를 터널링 배리어(334)의 물질로 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기의 유전체(ex 산화물)는, Al2O3, HfOx, 및 SiO2 등일 수 있다. 터널링 배리어(334)는 유전층(dielectric layer)이거나, 밴드 갭이 비교적 큰 반도체 층일 수 있다. 터널링 배리어(334)의 두께는 50 nm 이하일 수 있다. 터널링 배리어(334)의 물질 및 두께에 따라, 동작 전압이 달라질 수 있다.
제 1 층(336)은 터널링 배리어(334) 및 드레인(350) 사이에 위치한다. 예를 들어, 제 1 층(336)은 이차원 물질을 포함한다. 이차원 물질은 그래핀 또는 TMDC 일 수 있다. 다른 예로, 제 1 층(336)은 반도체를 포함한다. 제 1 층(336)이 반도체를 포함하는 경우, 제 1 층(336)은 박막일 수 있다. 제 1 층(336)의 두께는 아래의 [수학식 1]을 이용하여 계산될 수 있다. m은 정수이고, λ는 센싱되는 광의 파장이고, ns는 제 1 층(336)에 이용되는 반도체의 굴절률이다. m은 생성 조건에 따라 변화될 수 있다.
예를 들어, 제 1 층(336)에 이용되는 반도체가 실리콘(ns~3.4)이고, 센싱되는 적외선의 파장이 3㎛인 경우, 두께는 441㎚의 정수 배로 결정된다.
포토 트랜지스터(300)에 연결되는 전압에 따라, 채널을 통해 전자가 이동함으로써 소스(340)로부터 드레인(350)으로 흐르는 광 전류가 발생할 수 있다. 광 전류에 대해 아래에서 도 5 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명된다.
채널은 아래와 같은 실시예들을 이용하여 생성될 수 있으나, 설명된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. A/B/C는 A가 제 1 그래핀 층(332), B가 터널링 배리어(334) 및 C가 제 1 층(336)의 물질을 각각 의미한다.
(1) 그래핀/반도체 또는 절연체 박막/그래핀
터널링 배리어(334)의 조건은 밴드 갭이 1 eV 이상인 물질이고, 두께가 50 ㎚ 이하이다.
(2) 그래핀/이차원 물질/그래핀
터널링 배리어(334)의 물질은 밴드 갭이 1 eV 이상인 이차원 물질이다.
(3) 그래핀/절연체 박막/반도체 박막
터널링 배리어(334)의 조건은 밴드 갭이 3 eV 이상인 물질이고, 두께가 50 ㎚ 이하이다.
(4) 그래핀/이차원 물질/반도체 박막
터널링 배리어(334)의 조건은 제 1 층(336)의 반도체 박막의 밴드 갭보다 더 큰 밴드 갭을 가지는 물질이다.
(5) 그래핀/절연체 박막/이차원 물질
터널링 배리어(334)의 조건은 제 1 층(336)의 이차원 물질의 밴드 갭보다 더 큰 밴드 갭을 가지는 물질이고, 두께가 50 ㎚ 이하이다.
(6) 그래핀/이차원 물질/이차원 물질
터널링 배리어(334)의 조건은 제 1 층(336)의 이차원 물질의 밴드 갭보다 더 큰 밴드 갭을 가지는 물질이다.
(7) 그래핀/절연체 박막/반도체 박막
터널링 배리어(334)의 조건은 제 1 층(336)의 반도체 박막의 밴드 갭보다 더 큰 밴드 갭을 가지는 물질이고, 두께가 50 ㎚ 이하이다.
(8) 그래핀/이차원 물질/반도체 박막
반도체 박막의 두께는 전술된 [수학식 1]에 의해 계산된다.
도 4는 일 예에 따른 게이트 전압에 따라 변화한 그래핀의 페르미 준위를 도시한다.
그래핀의 기본 π-π* 전자띠 주변의 전자 구조(410)는 포토 트랜지스터의 게이트에 바이어스(bias) 전압이 가해지지 않은 경우이다. 기본 전자 구조(410)는 일반적인 페르미 준위(412)를 보인다. 기본 전자 구조(410)에서는 모든 파장의 광에 의해 전자들이 여기될 수 있으나, 상온에서의 열 에너지(26 meV)에 의한 잡음이 발생한다.
포토 트랜지스터의 게이트에 바이어스 전압을 가한 경우, 전자 구조는 조정된 π-π* 전자띠 주변의 전자 구조(420)로 변화할 수 있다. 도 4에 도시된 조정된 전자 구조(420)는 음의 전압이 가해진 경우이다. 게이트에 음의 전압이 가해진 경우, 조정된 전자 구조(420)의 페르미 준위(422)는 π-밴드 쪽으로 내려간다. 페르미 준위(422)는 π-밴드 쪽으로 내려간 경우, 열 에너지에 의한 전자의 여기를 방지할 수 있다.
도 5는 일 예에 따른 제 1 층이 그래핀으로 생성된 경우 채널에서 발생하는 광 전류가 이동하는 방법을 도시한다.
일 실시예에 따르면, 채널의 그래핀 층(510) 및 제 1 층(530)이 각각 그래핀을 포함한다. 게이트에 음의 바이어스 전압(Vg)이 가해진 경우, 그래핀의 페르미 준위(EF)가 π-밴드 쪽으로 내려간다.
포토 트랜지스터에 적외선이 조사된 경우, 광에 의해 그래핀의 π-밴드의 전자가 π*-밴드로 여기된다. 여기된 전자가 소스(또는 그래핀 층(510)) 및 드레인(또는 제 1 층(530))에 인가된 전압(Vd)에 의해 터널링된다. 여기된 전자는 터널링 배리어(520)를 통과하여 제 1 층(530)으로 이동할 수 있다. 그래핀 층(510)의 전자가 제 1 층(530)으로 이동함으로써 광 전류가 발생한다.
도 6은 일 예에 따른 제 1 층이 반도체로 생성된 경우 채널에서 발생하는 광 전류가 이동하는 방법을 도시한다.
일 실시예에 따르면, 채널의 그래핀 층(610)이 그래핀을 포함하고, 제 1 층(630)이 반도체를 포함한다. 게이트에 음의 바이어스 전압(Vg)이 가해진 경우, 그래핀의 페르미 준위(EF)가 π-밴드 쪽으로 내려간다.
포토 트랜지스터에 적외선이 조사된 경우, 광에 의해 그래핀의 π-밴드의 전자가 π*-밴드로 여기된다. 여기된 전자가 소스(또는 그래핀 층(610)) 및 드레인(또는 제 1 층(630))에 인가된 전압(Vd)에 의해 터널링된다. 여기된 전자는 터널링 배리어(620)를 통과하여 제 1 층(630)으로 이동할 수 있다. 전자가 반도체의 전도대(conduction band)로 이동함으로써 광 전류가 발생한다.
열 에너지에 의해 발생하는 잡음 전류는 반도체의 밴드 갭에 의해 제 1 층(630)으로 이동하지 않으므로, 잡음 전류가 발생하지 않는다.
도 7은 일 실시예에 따른 포토 트랜지스터를 제작하는 방법의 흐름도이다.
단계(710)에서, 포토 트랜지스터의 절연층이 생성된다. 절연층은 웨이퍼일 수 있다. 포토 트랜지스터의 게이트는 절연층에 연결될 수 있다.
단계(720)에서, 포토 트랜지스터의 채널이 생성된다. 단계(720)는 아래의 단계들(721, 722 및 723)을 포함한다.
단계(721)에서, 그래핀 층이 생성된다. 그래핀 층은 소스와 연결될 수 있다. 이차원 물질을 이용하여 그래핀 층이 생성될 수 있다. 예를 들어, 이차원 물질은 그래핀일 수 있다.
단계(722)에서, 터널링 배리어가 생성된다. 터널링 배리어는 그래핀 층 상에 생성된다. 이차원 물질, 반도체 및 절연체 박막 중 어느 하나를 이용하여 터널링 배리어가 생성될 수 있다.
단계(723)에서, 제 1 층이 생성된다. 제 1 층은 터널링 배리어 상에 생성된다. 제 1 층은 드레인과 연결될 수 있다. 반도체, 이차원 물질 및 반도체 박막 중 어느 하나를 이용하여 제 1 층이 생성될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
200: 포토 트랜지스터
210: 게이트
220: 절연층
230: 채널
240: 소스
250: 드레인
210: 게이트
220: 절연층
230: 채널
240: 소스
250: 드레인
Claims (10)
- 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET) 구조를 갖는 포토 트랜지스터에 있어서,
게이트(gate)와 연결된 절연층; 및
상기 절연층과 연결되고, 소스(Source) 및 드레인(drain)을 연결하는 채널(channel)
을 포함하고,
상기 채널은,
상기 소스와 연결된 그래핀 층;
상기 드레인과 연결된 제 1 층; 및
상기 그래핀 층 및 상기 제 1 층을 연결하는 터널링 배리어(tunneling barrier)
를 포함하는,
포토 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 게이트에는,
상기 그래핀 층의 페르미 준위(Fermi level)를 낮춰주기 위한 소정의 전압이 인가된,
포토 트랜지스터,
- 제2항에 있어서,
상기 소정의 전압은,
음의 전압(negative bias)인,
포토 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 제 1 층은,
그래핀, 반도체, 이차원 물질 및 반도체 박막 중 어느 하나를 이용하여 생성된,
포토 트랜지스터.
- 제4항에 있어서,
상기 제 1 층이 상기 반도체 박막을 이용하여 생성된 경우, 상기 반도체 박막의 두께는,
상기 포토 트랜지스터를 이용하여 센싱되는 광의 파장 및 상기 반도체 박막의 굴절률에 기반하여 결정되는,
포토 트랜지스터.
- 제1항에 있어서,
상기 터널링 배리어는,
이차원 물질, 반도체 및 절연체 박막 중 어느 하나를 이용하여 생성된,
포토 트랜지스터.
- 제6항에 있어서,
상기 이차원 물질은,
보론나이트라이드(Boron Nitride; BN)인,
포토 트랜지스터.
- 포토 트랜지스터를 제작하는 방법에 있어서,
게이트(gate)와 연결된 절연층을 생성하는 단계; 및
상기 절연층과 연결되고, 소스(Source) 및 드레인(drain)을 연결하는 채널(channel)을 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 채널을 생성하는 단계는,
상기 소스와 연결된 그래핀 층을 생성하는 단계;
상기 그래핀 층과 연결된 터널링 배리어(tunneling barrier)를 생성하는 단계; 및
상기 터널링 배리어 및 상기 드레인을 연결하는 제 1 층을 생성하는 단계
를 포함하는,
포토 트랜지스터 제작 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 제 1 층을 생성하는 단계는,
반도체, 이차원 물질 및 반도체 박막 중 어느 하나를 이용하여 상기 제 1 층을 생성하는 단계
를 포함하는,
포토 트랜지스터 제작 방법.
- 제8항에 있어서,
상기 터널링 배리어를 생성하는 단계는,
이차원 물질, 반도체 및 절연체 박막 중 어느 하나를 이용하여 상기 터널링 배리어를 생성하는,
포토 트랜지스터 제작 방법.
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| US10861996B2 (en) | 2018-02-13 | 2020-12-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Near-infrared light sensors including 2-dimensional insulator |
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| US11508814B2 (en) | 2020-01-21 | 2022-11-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Transistor including two-dimensional (2D) channel |
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