KR20190060638A - 전자 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 소자 및 그 제조방법에 대한 것이다. 본 발명은 기판; 상기 기판 상의 화합물층; 및 상기 화합물층 상의 전극을 포함한다. 상기 화합물층은 수직적으로 적층된 복수개의 분자층들을 포함한다. 상기 분자층들 각각은, 전이금속과 칼코겐간의 결합을 포함하는 분자들을 포함한다. 상기 분자층들은 제1 레벨에 위치하는 제1 분자층 및 제2 레벨에 위치하는 제2 분자층을 포함한다. 상기 기판의 상면으로부터 상기 제1 레벨까지의 높이는 상기 제2 레벨까지의 높이 보다 더 높다. 상기 제2 분자층에 유도되는 압축성 스트레인은 상기 제1 분자층에 유도되는 압축성 스트레인 보다 더 크다.
Description
본 발명은 전자 소자 및 그 제조방법에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 압축성 스트레인이 유도되는 화합물층을 포함하는 전자 소자 및 그 제조방법에 대한 것이다.
전이금속 칼코켄 화합물(Transition metal dichalcogenides, TMD)은 그래핀과 같이 투명하고 플렉서블한 물질이다. 전이금속 칼코겐 화합물은 반도체의 특성을 지니면서 기계적, 전기적, 전기화학적, 광전 특성이 우수한 물질이다. 전이금속 칼코겐 화합물은 차세대 트랜지스터, 광전소자, Hydrogen evolution reaction(HER) 및 가스센서 등에 응용하기 적합한 물질로 각광 받고 있다. 이황화 몰리브덴(Molybdenum disulfide, MoS2)나 이황화 텅스텐(Tungsten disulfide, WS2)의 경우, 화학적, 열적으로 안정하고, 두께 변화에 따라 밴드 갭의 조절이 가능하며, 광흡수도가 높다.
본 발명은 압축성 스트레인이 유도되는 화합물층을 포함하는 전자 소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 제조되는 전자 소자의 에너지 밴드갭 및 전기 전도도를 조절할 수 있는 전자 소자의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 기판; 상기 기판 상의 화합물층; 및 상기 화합물층 상의 전극을 포함하고, 상기 화합물층은 수직적으로 적층된 복수개의 분자층들을 포함하고, 상기 분자층들 각각은, 전이금속과 칼코겐간의 결합을 포함하는 분자들을 포함하고, 상기 분자층들은 제1 레벨에 위치하는 제1 분자층 및 제2 레벨에 위치하는 제2 분자층을 포함하고, 상기 기판의 상면으로부터 상기 제1 레벨까지의 높이는 상기 제2 레벨까지의 높이 보다 더 높으며, 상기 제2 분자층에 유도되는 압축성 스트레인은 상기 제1 분자층에 유도되는 압축성 스트레인 보다 더 큰 전자 소자를 제공한다.
상기 분자층들은 상기 제1 분자층과 인접하는 제3 분자층 및 상기 제2 분자층과 인접하는 재4 분자층을 더 포함하고, 상기 제1 분자층 및 상기 제3 분자층 사이의 이격거리는 상기 제2 분자층 및 상기 제4 분자층 사이의 이격거리 보다 더 클 수 있다.
상기 제1 분자층 및 상기 제3 분자층 사이의 이격거리는 상기 제1 분자층의 상기 칼코겐 및 상기 제3 분자층의 상기 칼코겐 사이의 최단거리이고, 상기 제2 분자층 및 상기 제4 분자층 사이의 이격거리는 상기 제2 분자층의 상기 칼코겐 및 상기 제4 분자층의 상기 칼코겐 사이의 최단거리일 수 있다.
상기 분자층들 중 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층에 유도되는 상기 압축성 스트레인은 1% 내지 10%일 수 있다.
상기 전이금속은 W, Mo, Ti 및 Ta 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 칼코겐은 S, Se 및 Te 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 분자들은 상기 분자층 내에서 2차원적으로 배열될 수 있다.
본 발명은 기판 상에 전이금속층을 형성하는 단계; 상기 전이금속층 상에 칼코겐 소스를 제공하여, 화합물층을 형성하는 단계; 및 상기 화합물층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 화합물층은 수직적으로 적층된 복수개의 분자층들을 포함하고, 상기 분자층들 각각은, 전이금속과 칼코겐간의 결합을 포함하는 분자들을 포함하며, 상기 분자층들은 제1 레벨에 위치하는 제1 분자층 및 제2 레벨에 위치하는 제2 분자층을 포함하고, 상기 기판의 상면으로부터 상기 제1 레벨까지의 높이는 상기 제2 레벨까지의 높이 보다 더 높으며, 상기 제2 분자층에 유도되는 압축성 스트레인은 상기 제1 분자층에 유도되는 압축성 스트레인 보다 더 큰 전자 소자 제조방법을 제공한다.
상기 전이금속층을 형성하는 단계는, 이온빔 또는 플라즈마 스퍼터링 공정을 통해 상기 전이금속층을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 화합물층을 형성하는 단계는, 상기 칼코겐 소스 및 상기 전이금속층이 형성된 상기 기판을 챔버 내에 배치하는 것, 상기 칼코겐 소스를 기화시키는 것 및 운반 가스를 통해 기화된 상기 칼코겐 소스를 상기 전이금속층 상에 제공하는 것을 포함할 수 있다.
상기 칼코겐 소스를 기화시키는 것은, 상기 칼코겐 소스의 위아래로 배치되는 가열 코일들을 이용하여 상기 칼코겐 소스가 배치된 부분의 온도를 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
상기 칼코겐소스를 상기 전이금속층 상에 제공하는 것은, 상기 전이금속층의 위아래로 배치되는 가열 코일들을 이용하여 상기 전이금속층이 배치된 부분의 온도를 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전자 소자는 분자층들이 수직적으로 적층됨으로써, 화합물층에 압축성 스트레인이 유도될 수 있다.
본 발명에 따른 전자 소자의 제조방법은 화합물층의 두께를 조절함으로써, 에너지 밴드갭 및 전기 전도도를 조절할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 A 영역의 확대도이다.
도 1c는 도 1a의 B영역의 확대도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 전자 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지이다.
도 5b 및 도 5c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지들이다.
도 6c 내지 도 6f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지들이다.
도 7d 내지 도 7g는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 화합물층의 두께에 따른 압축성 스트레인 및 분자층 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 화합물층의 두께에 따른 에너지 밴드갭을 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 A 영역의 확대도이다.
도 1c는 도 1a의 B영역의 확대도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 전자 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지이다.
도 5b 및 도 5c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지들이다.
도 6c 내지 도 6f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지들이다.
도 7d 내지 도 7g는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 8은 화합물층의 두께에 따른 압축성 스트레인 및 분자층 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 화합물층의 두께에 따른 에너지 밴드갭을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 장치의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 단면도이고, 도 1b는 도 1a의 A 영역의 확대도이고, 도 1c는 도 1a의 B영역의 확대도이다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자는 기판(110), 화합물층(120) 및 전극들(130)을 포함할 수 있다. 일 예로, 기판(110)은 SiO2, Si 및 쿼츠(Quartz) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
기판(110) 상에 화합물층(120)이 제공될 수 있다. 화합물층(120)은 제1 두께(T1)를 가질 수 있다. 일 예로, 제1 두께(T1)는 19.4nm일 수 있다. 화합물층(120)은 복수개의 분자층들(121a-121d)을 포함할 수 있다. 화합물층(120) 내에 복수개의 분자층들(121a-121d)이 수직적으로 적층될 수 있다. 각각의 분자층들(121a-121d)은 복수개의 분자들(O)을 포함할 수 있다. 일 예로, 분자(O)는 MoS2, WS2, TiS2, TaS2, MoSe2, WSe2, TiSe2, TaSe2, MoTe2, WTe2, TiTe2 및 TaTe2 중 하나일 수 있다. 분자들(O)은 하나의 전이금속(M) 및 2개의 칼코겐들(C)을 포함할 수 있다. 다시 말하면, 분자들(O)은 전이금속(M)과 칼코겐(C)간의 결합을 포함할 수 있다. 일 예로, 전이금속(M)은 Mo, W, Ti 및 Ta 중 하나일 수 있다. 일 예로, 칼코겐(C)은 S, Se 및 Te 중 하나일 수 있다. 복수개의 분자들(O)이 각각의 분자층들(121a-121d) 내에서 2차원적으로 배열될 수 있다. 서로 인접하는 분자층들(121a-121d)은 그들 사이에 작용하는 반데르발스 힘을 통하여 결합될 수 있다.
화합물층(120) 상부의 제1 레벨(LV1) 및 화합물층(120) 하부의 제2 레벨(LV2)이 정의될 수 있다. 기판(110)의 상면으로부터 제1 레벨(LV1)까지의 높이는 기판(110)의 상면으로부터 제2 레벨(LV2)까지의 높이 보다 더 높을 수 있다. 제1 레벨(LV1)에 화합물층(120)의 제1 분자층(121a) 및 제2 분자층(121b)이 인접할 수 있다. 제1 및 제2 분자층들(121a,121b)은 서로 수직 방향으로 이격되어 제1 이격거리(L1)를 가질 수 있다. 일 예로, 제1 이격거리(L1)는 제1 분자층(121a)의 칼코겐(C)과 제2 분자층(121b)의 칼코겐(C) 사이의 최단거리일 수 있다. 제2 레벨(LV2)에 화합물층(120)의 제3 분자층(121c) 및 제4 분자층(121d)이 인접할 수 있다. 제3 및 제4 분자층들(121c,121d)은 서로 수직 방향으로 이격되어 제2 이격거리(L2)를 가질 수 있다. 일 예로, 제2 이격거리(L2)는 제3 분자층(121c)의 칼코겐(C)과 제4 분자층(121d)의 칼코겐(C) 사이의 최단거리일 수 있다.
제1 이격거리(L1)가 제2 이격거리(L2) 보다 클 수 있다. 다시 말하면, 제3 및 제4 분자층들(121c,121d)에 압축성 스트레인이 유도될 수 있다. 압축성 스트레인은 제1 이격거리(L1)에서 제2 이격거리(L2)를 뺀 값을 제1 이격거리(L1)로 나눈 값일 수 있다. 제3 및 제4 분자층들(121c,121d)에 압축성 스트레인이 유도됨에 따라, 제1 및 제2 분자층들(121a,121b)의 에너지 밴드갭 보다 제3 및 제4 분자층들(121c,121d)의 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 분자층들(121a,121b)의 전기 전도도 보다 제3 및 제4 분자층들(121c,121d)의 전기 전도도가 클 수 있다.
위와 같이, 화합물층(120)의 분자층들(121a-121d) 중 상대적으로 낮은 레벨에 위치하는 분자층에 상대적으로 큰 압축성 스트레인이 유도될 수 있다. 따라서, 화합물층(120)의 분자층들(121a-121d) 중 상대적으로 낮은 레벨에 위치하는 분자층이 상대적으로 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있고, 상대적으로 큰 전기 전도도를 가질 수 있다.
화합물층(120) 상에 전극들(130)이 제공될 수 있다. 각각의 전극들(130)은 화합물층(120)의 가장자리 상에 제공될 수 있다. 전극들(130)은 금속을 포함할 수 있다. 일 예로, 전극들(130)은 Au, Cr, Ni, Ti 및 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 단면도이다.
설명의 간결함을 위해, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명된 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자는 기판(110), 화합물층(120) 및 전극들(130)을 포함할 수 있다.
화합물층(120)은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다. 제2 두께(T2)는 도 1a의 제1 두께(T1) 보다 클 수 있다. 일 예로 제2 두께(T2)는 43.6nm일 수 있다.
화합물층(120) 상부의 제3 레벨(LV3), 화합물층(120) 가운데의 제4 레벨(LV4) 및 화합물층(120) 하부의 제5 레벨(LV5)이 정의될 수 있다. 기판(110)의 상면으로부터 제3 레벨(LV3)까지의 높이는 기판(110)의 상면으로부터 제4 레벨(LV4)까지의 높이 보다 더 높을 수 있다. 기판(110)의 상면으로부터 제4 레벨(LV4)까지의 높이는 기판(110)의 상면으로부터 제5 레벨(LV5)까지의 높이 보다 높을 수 있다. 제3 레벨(LV3)에 화합물층(120)의 제5 분자층(121e) 및 제6 분자층(121f)이 인접할 수 있다. 제4 레벨(LV4)에 화합물층(120)의 제7 분자층(121g) 및 제8 분자층(121h)이 인접할 수 있다. 제5 레벨(LV5)에 화합물층(120)의 제9 분자층(121i) 및 제10 분자층(121j)이 인접할 수 있다.
제5 분자층(121e) 및 제6 분자층(121f) 사이의 이격거리가 제7 분자층(121g) 및 제8 분자층(121h) 사이의 이격거리 보다 클 수 있다. 제7 분자층(121g) 및 제8 분자층(121h) 사이의 이격거리가 제9 분자층(121i) 및 제10 분자층(121j) 사이의 이격거리 보다 클 수 있다. 다시 말하면, 제7 및 제8 분자층들(121g,121h)과 제9 및 제10 분자층들(121i,121j)에 압축성 스트레인이 유도될 수 있고, 제9 및 제10 분자층들(121i,121j)에 유도된 압축성 스트레인이 제7 및 제8 분자층들(121g,121h)에 유도된 압축성 스트레인 보다 더 클 수 있다.
제7 및 제8 분자층들(121g,121h)에 압축성 스트레인이 유도됨에 따라, 제5 및 제6 분자층들(121e,121f)의 에너지 밴드갭 보다 제7 및 제8 분자층들(121g,121h)의 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 따라서, 제5 및 제6 분자층들(121e,122f)의 전기 전도도 보다 제7 및 제8 분자층들(121g,121h)의 전기 전도도가 클 수 있다.
제7 및 제8 분자층들(121g,121h) 보다 제9 및 제10 분자층들(121g,121h)에 더 큰 압축성 스트레인이 유도됨에 따라, 제7 및 제8 분자층들(121g,121h)의 에너지 밴드갭 보다 제9 및 제10 분자층들(121i,121j)의 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 따라서, 제7 및 제8 분자층들(121g,121h)의 전기 전도도 보다 제9 및 제10 분자층들(121i,121j)의 전기 전도도가 클 수 있다.
위와 같이, 화합물층(120)에 포함되는 분자층들(121e-121j) 중 상대적으로 낮은 레벨에 위치하는 분자층에 상대적으로 큰 압축성 스트레인이 유도될 수 있다. 따라서, 화합물층(120)에 포함되는 분자층들(121e-121j) 중 상대적으로 낮은 레벨에 위치하는 분자층이 상대적으로 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있고, 상대적으로 큰 전기 전도도를 가질 수 있다.
다시 도 1a 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층(120)의 제2 두께(T2)가 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층(120)의 제1 두께(T1) 보다 두꺼울 수 있다. 따라서, 제5 분자층(121e)과 제10 분자층(121j)의 레벨 차이는 제1 분자층(121a)과 제4 분자층(121d)의 레벨 차이 보다 클 수 있다. 제10 분자층(121j)에 유도된 압축성 스트레인이 제4 분자층(121d)에 유도된 압축성 스트레인 보다 클 수 있다. 따라서, 제10 분자층(121j)의 에너지 밴드갭이 제4 분자층(121d)의 에너지 밴드갭 보다 더 작을 수 있고, 제10 분자층(121j)의 전기 전도도가 제4 분자층(121d)의 전기 전도도 보다 더 클 수 있다. 이와 같이, 화합물층(120)의 두께에 따라, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 에너지 밴드갭 및 전기 전도도가 달라질 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 단면도이다.
설명의 간결함을 위해, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여 설명된 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하며, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자는 기판(110), 화합물층(120) 및 전극들(130)을 포함할 수 있다.
화합물층(120)은 제3 두께(T3)를 가질 수 있다. 제3 두께(T3)는 도 2의 제2 두께(T2) 보다 클 수 있다. 일 예로 제3 두께(T3)는 143nm일 수 있다.
도 1a 내지 도 1c 및 도 2에서 설명한 것과 유사하게, 화합물층(120)에 제6 내지 제9 레벨(LV6-LV9)이 정의될 수 있다. 기판(110)의 상면으로부터 제6 레벨(LV6)까지의 높이는 기판(110)의 상면으로부터 제7 레벨(LV7)까지의 높이 보다 더 높을 수 있다. 기판(110)의 상면으로부터 제7 레벨(LV7)까지의 높이는 기판(110)의 상면으로부터 제8 레벨(LV8)까지의 높이 보다 높을 수 있다. 기판(110)의 상면으로부터 제8 레벨(LV8)까지의 높이는 기판(110)의 상면으로부터 제9 레벨(LV9)까지의 높이 보다 높을 수 있다.
화합물층(120)에 포함되는 분자층들(121) 중 상대적으로 낮은 레벨에 위치하는 분자층에 상대적으로 큰 압축성 스트레인이 유도될 수 있다. 따라서, 화합물층(120)에 포함되는 분자층들(121) 중 상대적으로 낮은 레벨에 위치하는 분자층이 상대적으로 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있고, 상대적으로 큰 전기 전도도를 가질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 전자 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4a를 참조하면, 기판(110) 상에 전이금속층(210)이 형성될 수 있다. 전이금속층(210)은 이온빔 또는 플라즈마 스퍼터링 공정을 통해 형성될 수 있다. 일 예로, 전이금속층(210)은 1nm 내지 150nm의 두께로 형성될 수 있다. 스퍼터링 RF파워 및 스퍼터링 시간을 조절하여 전이금속층(210)의 두께를 조절할 수 있다. 일 예로, 스퍼터링 RF파워는 2kW 내지 3kW일 수 있다. 일 예로, 스퍼터링 시간은 0.1s 내지 60s일 수 있다. 일 예로, 전이금속층(210)은 Mo, W, Ti 및 Ta 중 하나를 포함할 수 있다.
전이금속층(210)의 두께에 따라, 화합물층(120, 도 1a)의 두께가 결정될 수 있다. 제조되는 화합물층(120)의 분자층들(121a-121d, 도 1a)에 유도하고자 하는 압축성 스트레인에 맞추어 전이금속층(210)의 두께를 조절할 수 있다. 유도된 압축성 스트레인에 따라, 화합물층(120)의 분자층들(121a-121d)의 에너지 밴드갭 및 전기 전도도가 결정될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 화학 기상 증착 공정을 통해 전이금속층(210)에 칼코겐 소스(230)를 결합시킬 수 있다. 기판(110) 및 전이금속층(210)을 챔버(350) 내의 제1 플레이트(320) 상에 배치할 수 있다. 칼코겐 소스(230)를 챔버(350) 내의 제2 플레이트(330) 상에 배치할 수 있다. 제1 및 제2 플레이트들(320,330)은 수평 방향으로 16cm 내지 50cm 이격될 수 있다. 운반가스(G)가 제2 플레이트(330)에서 제1 플레이트(320) 방향으로 흐를 수 있다. 일 예로, 운반가스(G)는 500sccm 내지 1000sccm으로 흐를 수 있다. 일 예로, 운반가스(G)는 Ar 가스 또는 N2 가스일 수 있다. 제1 플레이트(320)의 위아래로 배치된 제1 가열 코일들(340)을 이용하여 제1 플레이트(320)가 배치된 부분의 온도를 증가시킬 수 있다. 일 예로, 제1 플레이트(320)가 배치된 부분의 온도를 600℃ 내지 1050℃로 증가시킬 수 있다. 제2 플레이트(330)의 위아래로 배치된 제2 가열 코일들(360)을 이용하여 제2 플레이트(330)가 배치된 부분의 온도를 증가시킬 수 있다. 제2 가열 코일들(360)에 의해 칼코겐 소스(230)가 가열될 수 있다. 일 예로, 칼코겐 소스(230)는 180℃ 내지 220℃로 가열될 수 있다. 이 경우, 칼코겐 소스(230)가 기화될 수 있다.
기화된 칼코겐 소스(230)가 운반가스(G)에 의해 제1 플레이트(320) 상으로 이동할 수 있다. 따라서, 칼코겐 소스(230)가 전이금속층(210) 상에 제공될 수 있다. 제1 플레이트(320)가 배치된 부분의 증가된 온도에 의해, 칼코겐 소스(230)가 전이금속층(210)과 결합할 수 있다. 칼코겐 소스(230)와 전이금속층(210)의 결합을 1분 내지 60분 동안 진행할 수 있다. 이어서, 제1 가열 코일들(340) 및 제2 가열 코일들(360)의 온도를 낮춰 냉각을 진행할 수 있다. 상기 과정을 통해, 화합물층(120, 도 1a)이 형성될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c를 다시 참조하면, 칼코겐(C)이 전이금속(M)과 결합하여 분자들(O) 및 분자층들(121a-121d)이 형성되면서, 상대적으로 낮은 레벨에 위치하는 분자층(121a-121d)에 상대적으로 큰 압축성 스트레인이 유도될 수 있다. 따라서, 화합물층(120)에 포함되는 분자층들(121a-121d) 중 상대적으로 낮은 레벨에 위치하는 분자층이 상대적으로 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있고, 상대적으로 큰 전기 전도도를 가질 수 있다.
화합물층(120) 상에 전극들(130)을 형성할 수 있다. 전극들(130) 각각은 화합물층(120)의 가장자리 상에 형성될 수 있다. 포토 리소그래피 공정 및 증착 공정을 통해 전극들(130)을 형성할 수 있다. 전극들(130)은 금속을 포함할 수 있다. 일 예로, 전극들(130)은 Au, Cr, Ni, Ti 및 Al 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지이고, 도 5b 및 도 5c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a를 참조하면, 표시된 제1 영역(RG1)은 제1 레벨(LV1, 도 1a)에 위치할 수 있고, 제2 영역(RG2)은 제2 레벨(LV2, 도 1a)에 위치할 수 있다. 일 예로, 화합물층의 두께는 19.4nm일 수 있다. 일 예로, 화합물층은 WS2를 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 제1 영역(RG1) 및 제2 영역(RG2)의 분자층들 사이의 이격거리를 확인할 수 있다. 도 5b 및 도 5c에 전자선 분석에 따른 피크(Peak)가 도시된 것을 확인할 수 있다. 피크는 각각의 분자층들의 위치를 나타낼 수 있다. 일 예로, 제1 영역(RG1)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.648nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제2 영역(RG2)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.638nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제2 영역(RG2)의 분자층들에 유도된 압축성 스트레인이 약 1.54%일 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지들이고, 도 6c 내지 도 6f는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 표시된 제3 영역(RG3)은 제3 레벨(LV3, 도 2)에 위치할 수 있고, 제4 영역(RG4) 및 제5 영역(RG5) 각각은 제4 레벨(LV4, 도 2)에 위치할 수 있고, 제6 영역(RG6)은 제5 레벨(LV5, 도 2)에 위치할 수 있다. 일 예로, 화합물층의 두께는 43.6nm일 수 있다. 일 예로, 화합물층은 WS2를 포함할 수 있다.
도 6a 내지 도 6f를 참조하면, 제3 영역(RG3) 내지 제6 영역(RG6)의 분자층들 사이의 이격거리를 확인할 수 있다. 도 6c 내지 도 6f에 전자선 분석에 따른 피크(Peak)가 도시된 것을 확인할 수 있다. 피크는 각각의 분자층들의 위치를 나타낼 수 있다. 일 예로, 제3 영역(RG3)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.647nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제4 영역(RG4)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.628nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제5 영역(RG5)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.626nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제6 영역(RG6)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.621nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제4 영역(RG4)의 분자층들에 유도된 압축성 스트레인이 약 2.94%일 수 있다. 일 예로, 제5 영역(RG5)의 분자층들에 유도된 압축성 스트레인이 약 3.25%일 수 있다. 일 예로, 제6 영역(RG6)의 분자층들에 유도된 압축성 스트레인이 약 4.02%일 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 TEM 이미지들이고, 도 7d 내지 도 7g는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전자 소자의 화합물층의 분자층들 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면들이다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 표시된 제7 영역(RG7)은 제6 레벨(LV6, 도 3)에 위치할 수 있고, 제8 영역(RG8)은 제7 레벨(LV7, 도 3)에 위치할 수 있고, 제9 영역(RG9)은 제8 레벨(LV8, 도 3)에 위치할 수 있고, 제10 영역(RG10)은 제9 레벨(LV9, 도 3)에 위치할 수 있다. 일 예로, 화합물층의 두께는 143nm일 수 있다. 일 예로, 화합물층은 WS2를 포함할 수 있다.
도 7a 내지 7g를 참조하면, 제7 영역(RG7) 내지 제10 영역(RG10)의 분자층들 사이의 이격거리를 확인할 수 있다. 도 7d 내지 도 7g에 전자선 분석에 따른 피크(Peak)가 도시된 것을 확인할 수 있다. 피크는 각각의 분자층들의 위치를 나타낼 수 있다. 일 예로, 제7 영역(RG7)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.648nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제8 영역(RG8)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.636nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제9 영역(RG9)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.627nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제10 영역(RG10)의 분자층들 사이의 이격거리가 0.611nm인 것을 확인할 수 있다. 일 예로, 제8 영역(RG8)의 분자층들에 유도된 압축성 스트레인이 약 1.85%일 수 있다. 일 예로, 제9 영역(RG9)의 분자층들에 유도된 압축성 스트레인이 약 3.24%일 수 있다. 일 예로, 제10 영역(RG10)의 분자층들에 유도된 압축성 스트레인이 약 5.71%일 수 있다.
도 8은 화합물층의 두께에 따른 압축성 스트레인 및 분자층 사이의 이격거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 화합물층의 두께에 따라 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 압축성 스트레인(CS) 및 분자층들 사이의 이격거리(IS)를 확인할 수 있다.
화합물층의 두께가 19.4nm인 경우, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 압축성 스트레인(CS)이 1.54%인 것을 확인할 수 있고, 분자층들 사이의 이격거리(IS)가 0.638nm인 것을 확인할 수 있다.
화합물층의 두께가 43.6nm인 경우, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 압축성 스트레인(CS)이 4.02%인 것을 확인할 수 있고, 분자층들 사이의 이격거리(IS)가 0.621nm인 것을 확인할 수 있다.
화합물층의 두께가 143nm인 경우, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 압축성 스트레인(CS)이 5.71%인 것을 확인할 수 있고, 분자층들 사이의 이격거리(IS)가 0.611nm인 것을 확인할 수 있다.
위와 같이, 화합물층의 두께가 두꺼워 질수록, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 압축성 스트레인(CS)이 커질 수 있고, 분자층들 사이의 이격거리(IS)가 작아질 수 있다.
도 9는 화합물층의 두께에 따른 에너지 밴드갭을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 화합물층의 두께가 19.4nm인 경우, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 에너지 밴드갭이 1.82eV인 것을 확인할 수 있다. 화합물층의 두께가 43.6nm인 경우, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 에너지 밴드갭이 1.74eV인 것을 확인할 수 있다. 화합물층의 두께가 143nm인 경우, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 에너지 밴드갭이 1.57eV인 것을 확인할 수 있다.
위와 같이, 화합물층의 두께가 두꺼울수록, 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층의 에너지 밴드갭이 작아질 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 전자 소자는 광촉매작용(Photocatalytic) 및 전기화학(Electrochemical)적으로 높은 반응성을 가질 수 있다. 일 예로, 상대적으로 낮은 전압(0.01V 내지 0.1V)에서도 높은 광 반응성(0.1A/W 내지 30A/W)을 나타낼 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
110: 기판
120: 화합물층
130: 전극들
120: 화합물층
130: 전극들
Claims (12)
- 기판;
상기 기판 상의 화합물층; 및
상기 화합물층 상의 전극을 포함하고,
상기 화합물층은 수직적으로 적층된 복수개의 분자층들을 포함하고,
상기 분자층들 각각은, 전이금속과 칼코겐간의 결합을 포함하는 분자들을 포함하고,
상기 분자층들은 제1 레벨에 위치하는 제1 분자층 및 제2 레벨에 위치하는 제2 분자층을 포함하고,
상기 기판의 상면으로부터 상기 제1 레벨까지의 높이는 상기 제2 레벨까지의 높이 보다 더 높으며,
상기 제2 분자층에 유도되는 압축성 스트레인은 상기 제1 분자층에 유도되는 압축성 스트레인 보다 더 큰 전자 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분자층들은 상기 제1 분자층과 인접하는 제3 분자층 및 상기 제2 분자층과 인접하는 재4 분자층을 더 포함하고,
상기 제1 분자층 및 상기 제3 분자층 사이의 이격거리는 상기 제2 분자층 및 상기 제4 분자층 사이의 이격거리 보다 더 큰 전자 소자.
- 제 2 항에 있어서,
상기 제1 분자층 및 상기 제3 분자층 사이의 이격거리는 상기 제1 분자층의 상기 칼코겐 및 상기 제3 분자층의 상기 칼코겐 사이의 최단거리이고,
상기 제2 분자층 및 상기 제4 분자층 사이의 이격거리는 상기 제2 분자층의 상기 칼코겐 및 상기 제4 분자층의 상기 칼코겐 사이의 최단거리인 전자 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분자층들 중 가장 낮은 레벨에 위치하는 분자층에 유도되는 상기 압축성 스트레인은 1% 내지 10%인 전자 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전이금속은 W, Mo, Ti 및 Ta 중 하나를 포함하는 전자 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 칼코겐은 S, Se 및 Te 중 하나를 포함하는 전자 소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 분자들은 상기 분자층 내에서 2차원적으로 배열되는 전자 소자.
- 기판 상에 전이금속층을 형성하는 단계;
상기 전이금속층 상에 칼코겐 소스를 제공하여, 화합물층을 형성하는 단계; 및
상기 화합물층 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 화합물층은 수직적으로 적층된 복수개의 분자층들을 포함하고,
상기 분자층들 각각은, 전이금속과 칼코겐간의 결합을 포함하는 분자들을 포함하며,
상기 분자층들은 제1 레벨에 위치하는 제1 분자층 및 제2 레벨에 위치하는 제2 분자층을 포함하고,
상기 기판의 상면으로부터 상기 제1 레벨까지의 높이는 상기 제2 레벨까지의 높이 보다 더 높으며,
상기 제2 분자층에 유도되는 압축성 스트레인은 상기 제1 분자층에 유도되는 압축성 스트레인 보다 더 큰 전자 소자 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 전이금속층을 형성하는 단계는, 이온빔 또는 플라즈마 스퍼터링 공정을 통해 상기 전이금속층을 형성하는 것을 포함하는 전자 소자 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,
상기 화합물층을 형성하는 단계는,
상기 칼코겐 소스 및 상기 전이금속층이 형성된 상기 기판을 챔버 내에 배치하는 것, 상기 칼코겐 소스를 기화시키는 것 및 운반 가스를 통해 기화된 상기 칼코겐 소스를 상기 전이금속층 상에 제공하는 것을 포함하는 전자 소자 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 칼코겐 소스를 기화시키는 것은, 상기 칼코겐 소스의 위아래로 배치되는 가열 코일들을 이용하여 상기 칼코겐 소스가 배치된 부분의 온도를 증가시키는 것을 포함하는 전자 소자 제조방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 칼코겐소스를 상기 전이금속층 상에 제공하는 것은,
상기 전이금속층의 위아래로 배치되는 가열 코일들을 이용하여 상기 전이금속층이 배치된 부분의 온도를 증가시키는 것을 포함하는 전자 소자 제조방법.
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2018
- 2018-04-20 KR KR1020180046353A patent/KR102488397B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
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