KR20200036449A - 이차원 물질 층을 포함하는 광검출기의 제조방법 - Google Patents

이차원 물질 층을 포함하는 광검출기의 제조방법 Download PDF

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KR20200036449A
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이병훈
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명의 일실시예는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법을 제공한다. 이차원 물질 층에 심자외선을 조사하여 도펀트를 이차원 물질 층 내에 치환 도핑할 수 있으며 도핑 안정성을 높이고 전사(transfer) 과정 없이 광특성이 개선된 이차원 물질 기반 광검출기를 제공할 수 있다.

Description

이차원 물질 층을 포함하는 광검출기의 제조방법{fabricating method for photodetector comprising two-dimensional material layer}
본 발명은 금속 칼코겐 화합물을 포함하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심자외선 조사를 통해 도펀트를 치환 도핑하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 관한 것이다.
광검출기는 광신호를 전기적인 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자로서, 검출 가능한 파장 영역에 따라 다양한 어플리케이션에 적용이 가능하다. 초고속 대용량 광통신 시스템, CCTV 카메라, 자동차의 물체 인식 센서, 광통신, 영상처리 시스템, 의료기기 등 다양한 산업 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있으며, 따라서 광검출기의 광특성, 광반응성 등을 개선할 수 있는 공정 방법과 저비용, 고성능의 광검출기에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이차원 소재 기반 광검출기의 특성을 개선하기 위해서 일반적으로 도핑 공정을 이용한다. 이차원 소재에 도핑하는 방법으로는 특정 파장 영역의 흡수율이 높은 물질을 코팅하거나, 채널의 전하 이동도를 증가시킬 수 있는 도펀트를 이차원 소재에 표면 처리하는 방법이 있다. 그러나 이와 같은 방법들은 이차원 소재와 도핑 물질 간의 약한 결합에 의해 도핑되는 메커니즘으로써 시간이 지날수록 도핑 효과가 감소되는 단점이 있다.
서로 다른 두 소재 간의 이종 접합 구조 제작을 통해 이차원 소재와의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 증가시켜 빛에 의해 발생되는 전자-홀 쌍(electron-hole pair)의 재결합을 억제해 광소자의 특성을 개선시킬 수 있다. 그러나 이러한 방법은 서로 다른 두 소재 간의 이종 접합 구조 제작 시 전사(transfer) 공정이 필수적인데, 전사(transfer)를 하는 과정에서 소재의 손상과 전사 매개체의 잔류 등으로 광특성 저하를 초래할 수 있으며, 대면적 신뢰성 확보에 어려움이 있다.
대한민국 공개특허공보 제 10-2011-0020443 호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전사 공정 없이 심자외선 조사를 통해 도핑 안정성이 개선되고 도펀트를 치환 도핑할 수 있는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 상기 이차원 기반 광검출기의 제조방법에 의해 제조된 이차원 물질 기반 광검출기를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법을 제공한다. 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법은 기판 상에 유전막을 형성하는 단계, 상기 유전막 상에 이차원 물질 층을 형성하는 단계, 상기 이차원 물질 층 상에 서로 이격하게 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계, 상기 이차원 물질 층 상에 불활성 가스와 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스를 주입하는 단계 및 상기 이차원 물질 층에 심자외선을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 심자외선을 조사하여 상기 이차원 물질 층에 복수의 공공을 형성시켜 상기 도펀트를 치환 도핑하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 이차원 물질 층을 형성하는 이차원 물질은 금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 칼코겐 화합물은 MoS2, WS2, TiS2, ZrS2, HfS2, VS2, NiS2, PdS2, PtS2, ReS2, GaS, InxSy, GeS, SnS2, Bi2S3, MoSe2, WSe2, TiSe2, ZrSe2, HfSe2, NiSe2, PdSe2, PtSe2, ReSe2, GaSe, InxSey, GeSe, SnSe2, Bi2Se3, MoTe2, WTe2, TiTe2, ZrTe2, HfTe2, PdTe2, PtTe2, InxTey, GeTe 및 Bi2Te3로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스는 O3, O2, NO, NO2, NH3, PH3, N2 및 Cl2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 심자외선을 조사하는 단계는 15℃ 내지 250℃ 범위의 온도를 유지하는 분위기 하에서 심자외선을 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 심자외선은 4.90 eV 내지 6.70 eV 범위의 광자 에너지를 가지는 심자외선을 포함할 수 있다.
또한, 상기 심자외선을 조사하는 단계는 심자외선을 30분 내지 120분 동안 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 이차원 물질 기반 광검출기를 제공한다. 상기 이차원 물질 기반 광검출기는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 따라 제조될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 이차원 물질 층의 치환 도핑 방법을 제공한다. 상기 이차원 물질 층의 치환 도핑 방법은 기판 상에 이차원 물질 층을 배치하는 단계, 상기 이차원 물질 층 상에 불활성 가스와 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스를 주입하는 단계 및 상기 이차원 물질 층에 심자외선을 조사하는 단계를 포함하고, 상기 심자외선을 조사하여 상기 이차원 물질 층에 복수의 공공을 형성시켜 상기 도펀트를 치환 도핑하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 심자외선을 조사하는 단계는 15℃ 내지 250℃ 범위의 온도를 유지하는 분위기 하에서 심자외선을 조사하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 심자외선을 조사하는 단계는 심자외선을 30분 내지 120분 동안 조사하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 심자외선을 조사하는 과정을 수행하여 도펀트를 안정하게 이차원 물질 층 내에 치환 도핑할 수 있으며, 전사(transfer) 공정 없이 광특성이 개선된 이차원 물질 기반 광검출기를 제공할 수 있다.
또한, 이에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)을 개략적으로 나타낸 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 있어서 심자외선을 조사하여 도펀트를 치환 도핑하는 과정을 나타낸 그림이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기 내 MoS2 이차원 층의 Raman peak를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기 내 MoS2 이차원 층의 PL(photoluminescence) peak를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기 내 MoS2 이차원 층의 일함수 및 캐리어(carrier) 농도를 나타낸 그래프이다.
도 6 (A)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 광특성을 측정한 그래프이다.
도 6 (B)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 광반응성(photoresponsivitiy), 암전류 대비 광전류의 비율(Iph/Idark) 및 검출능(detectivity)을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 광전류의 rise & decay time을 측정한 그래프이다.
도 8 (A)는 pristine 광검출기의 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도 8 (B)는 심자외선을 조사하는 과정을 생략한 채 200℃ 온도 하에서 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도 8 (C)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 있어서 상온에서 심자외선을 조사하여 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도 8 (D)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 있어서 200℃ 온도 하에서 심자외선을 조사하여 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기에 있어서 심자외선 조사시 열처리 온도에 따른 MoS2 이차원 층 내의 Mo6+ 농도 및 Mo원자 대비 S 원자의 비율(S/Mo atomic ratio)을 측정한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)을 개략적으로 나타낸 공정흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 기판 상에 유전막을 형성하는 단계(S110), 상기 유전막 상에 이차원 물질 층을 형성하는 단계(S120), 상기 이차원 물질 층 상에 서로 이격하게 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(S130), 상기 이차원 물질 층에 불활성 가스와 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스를 주입하는 단계(S140), 상기 이차원 물질 층에 심자외선을 조사하는 단계(S150)를 포함할 수 있다. 이때 상기 심자외선을 조사하여 상기 이차원 물질 층에 복수의 공공을 형성시켜 상기 도펀트를 치환 도핑하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 기판 상에 유전막을 형성하는 단계(S110)를 포함할 수 있다.
상기 기판은 실리콘(Si) 기판일 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 기판은 유리(glass), 석영(quartz), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 폴리에틸렌 프탈레이트(Polyethylenephthalate), 폴리이미드(polyimide) 및 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate) 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 유전막은 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 유전막은 SiO 등과 같은 반도체 물질의 산화물이나 SiN과 같은 반도체 물질의 질화물 또는 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate) 등과 같은 폴리머(polymer)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 상기 유전막 상에 이차원 물질 층을 형성하는 단계(S120)를 포함할 수 있다. 이때의 이차원 물질 층이란 이차원 평면 구조를 갖도록 물질 층이 형성된 것을 의미한다.
상기 이차원 물질 층을 형성하는 이차원 물질은 금속 칼코겐(chalcogen) 화합물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 칼코겐 화합물 Mo, W, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Ni, Pd, Pt, Re, Ga, In, Ge, Sn, 및Bi 중 하나의 금속과 S, Se 및 Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 칼코겐(chalcogen) 화합물은 MoS2, WS2, TiS2, ZrS2, HfS2, VS2, NiS2, PdS2, PtS2, ReS2, GaS, InxSy, GeS, SnS2, Bi2S3, MoSe2, WSe2, TiSe2, ZrSe2, HfSe2, NiSe2, PdSe2, PtSe2, ReSe2, GaSe, InxSey, GeSe, SnSe2, Bi2Se3, MoTe2, WTe2, TiTe2, ZrTe2, HfTe2, PdTe2, PtTe2, InxTey, GeTe 및 Bi2Te3 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 상기 이차원 물질 층 상에 서로 이격하게 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(S130)를 포함할 수 있다.
상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 동일한 물질로 형성되거나 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극은 상기 이차원 물질 층 상에 서로 대칭적(symmetric)으로 배치되거나 또는 비대칭적(asymmetric)으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 상기 이차원 물질 층 상에 불활성 가스와 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스를 주입하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
상기 불활성 가스는 상기 반응기 내에서의 화학 반응에 참여하지 않는 비반응성 기체이면 가능할 것이다. 예를 들어, 상기 불활성 가스는 질소(N2), 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe) 및 라돈(Rn)으로 이루어진 그룹에서 선택된 1 종 이상을 사용하는 것일 수 있다.
상기 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스는 심자외선에 의해 가스의 결합이 분해되어 도펀트를 제공하고, 이때 상기 도펀트는 상기 이차원 물질 층 내에 치환 도핑되어 광특성을 개선시킬 수 있는 물질이면 가능할 것이다. 예를 들어, 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스는 O3, O2, NO, NO2, NH3, PH3, N2 및 Cl2 로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 상기 금속 칼코겐 화합물의 반도체 물성에 반대되는 도펀트를 도핑하여 광특성을 개선시킬 수 있다. 구체적으로, N형 반도체 특성을 갖는 금속 칼코겐 화합물의 경우 도펀트는 O, N 또는 P를 포함하는 것이면 가능할 것이다. 예를 들어, 이때의 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스는 O3, O2, NO, NO2, PH3, N2, NH3 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. 반면, P형 반도체 특성을 갖는 금속 칼코겐 화합물의 경우 도펀트는 Cl을 포함하는 것이면 가능할 것이다. 예를 들어, 이때의 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스는 Cl2일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 상기 이차원 물질 층 상에 심자외선을 조사하는 단계(S150)를 포함할 수 있다. 이때 상기 심자외선을 조사하여 상기 이차원 물질 층에 복수의 공공을 형성시켜 상기 도펀트를 치환 도핑하는 특징을 가질 수 있다.
이차원 소재 기반 광소자의 특성을 개선하기 위해 일반적으로 도펀트를 이차원 소재에 표면 흡착 도핑하는 방법을 이용할 수 있다. 다만, 이와 같이 이차원 소재에 표면 흡착 도핑하는 경우 이차원 소재와 도핑 물질 간의 약한 결합으로 인해 시간이 지날수록 도핑 효과가 감소되는 문제가 있다.
서로 다른 두 소재 간의 이종접합 구조 제작을 통해 광소자의 특성을 개선할 수 있으나, 이를 위해서는 전사(transfer) 공정이 필수적으로 요구되어 공정 비용이 증가되는 문제가 있다. 또한 전사(transfer) 공정 중 소재의 손상 및 전사 매개체의 잔류 등으로 광특성 저하를 초래할 수 있으며, 대면적 신뢰성 확보에 어려움이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 이차원 물질 층에 심자외선을 직접 조사하여 이차원 물질 층 내에 공공을 생성하는 동시에 도펀트를 치환 도핑할 수 있다. 따라서, 기존의 표면 흡착 도핑과 비교하여 도핑 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전사(transfer) 공정을 수행하지 않고도 광특성이 개선된 이차원 물질 기반 광검출기를 제공할 수 있다.
상기 심자외선은 4.90 eV 내지 6.70 eV 범위의 광자 에너지를 가지는 심자외선을 포함할 수 있다.
금속 칼코겐 화합물로 이루어진 이차원 물질 층에5.0 eV 이상의 광자 에너지를 갖는 심자외선을 조사할 경우 칼코겐 원소가 이탈하여 상기 이차원 물질 층 내에 칼코겐 공공이 형성된다. 일반적으로 금속 칼코겐 화합물로 이루어진 이차원 물질 층에 심자외선을 조사할 경우 전이금속 공공보다 칼코겐 공공이 더 쉽게 형성되는데, 이는 전이금속 원소가 칼코겐 원소보다 결합수가 더 많아 공공을 형성하기 위한 에너지가 더 높기 때문이다.
한편, 반응기 내에 주입된 상기 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스는 높은 광자 에너지를 갖는 상기 심자외선에 의해 분해될 수 있으며, 상기 심자외선에 의해 분해된 도펀트는 상기 이차원 물질 층에 형성된 상기 칼코겐 공공에 치환 도핑될 수 있다.
도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)에 대하여 보다 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100) 중에서 심자외선을 조사하여 도펀트를 이차원 물질 층에 치환 도핑하는 과정을 나타내었다.
도 2 (A)는 상기 이차원 물질 층 상에 불활성 가스와 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스를 주입하는 단계(S140) 이후의 모습을 나타낸 그림이다.
도 2 (A)를 참조하면, 실리콘(Si) 기판(210) 상에 SiO2유전막(220)을 형성할 수 있고, 상기 SiO2유전막(220) 상에 MoS2 이차원 층(230)을 형성할 수 있다.
상기 MoS2 이차원 층(230) 상에 서로 이격하게 배치된 소스 전극(240) 및 드레인 전극(250)이 형성될 수 있다. 상기 MoS2 이차원 층(230) 상에 불활성 가스 및 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스가 주입될 수 있으며, 이때의 불활성 가스는 N2(미도시)이고 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스로는 O2(260)가 사용될 수 있다.
도 2 (B)는 상기 MoS2 이차원 층(230) 상에 심자외선을 조사하여 O2를 S공공(233)에 치환 도핑하는 과정을 나타낸 그림이다.
도 2 (B)를 참조하면, MoS2 이차원 층(230)에 심자외선을 조사할 경우 S 원자(232)가 이탈하여 S 공공(233)을 형성할 수 있다. MoS2 이차원 층(230) 내 S 공공의 형성 에너지는 약 2.57 eV이고 Mo 공공의 형성 에너지는 약 6.93 eV이다. 이로 인해 심자외선 조사 시 S공공이 더 쉽게 형성될 수 있다.
또한, 상기 반응기 내에 주입된 O2(260)는 심자외선에 의해 분해되어 O3(280)를 형성할 수 있으며, 상기 형성된 O3(280)는 불안정하여 O원자(270)와 O2(260)로 분해될 수 있다. 분해된 상기 O 원자(270)는 도 2 (C)에 도시한 바와 같이MoS2 이차원 층(230)에 형성된 S공공(233)에 치환 도핑될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법(S100)은 이차원 물질 층에 심자외선을 직접 조사하여 이차원 물질 층 내에 칼코겐 공공을 형성함과 동시에 도펀트를 치환 도핑할 수 있다. 또한, 도펀트의 치환 도핑으로 도핑 안정성을 향상시킴과 동시에 전사(transfer) 공정을 수행하지 않고 광특성이 개선된 이차원 물질 기반 광검출기를 제공할 수 있다.
상기 이차원 물질 층에 심자외선을 조사하는 단계(S150)는 15℃ 내지 250℃ 범위의 온도를 유지하는 분위기 하에서 심자외선을 조사하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 15℃ 미만의 온도에서는 도펀트의 치환 도핑이 충분히 유발되지 않고, 250℃ 초과의 온도에서는 상기 이차원 물질 층 내 구조적 결함이 증가하여 본 발명의 실시에 바람직하지 않다. 따라서 상기 일정 온도는 15℃ 내지 250℃의 범위 내인 것이 바람직하고, 100℃ 내지 250℃의 범위 내인 것이 보다 바람직하며, 150℃ 내지 220℃의 범위 내인 것이 더 바람직하다.
상기 심자외선을 조사하는 단계(S150)는 상기 심자외선을 30분 내지 120분 동안 조사하는 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로, 심자외선을 조사하는 시간이 30분 미만인 경우 도펀트의 치환 도핑이 충분히 유발되지 않아 바람직하지 않고, 120분 초과인 경우 심자외선의 과도한 조사로 인해 상기 이차원 물질 층 내 구조적 결함이 증가할 수 있어 바람직하지 않다.
상기 이차원 물질 층은 단층 구조(monolayer) 또는 다층 구조(multilayer)를 포함할 수 있다. 이때의 “단층 구조(monolayer)”란 상기 이차원 물질 층을 이루는 상기 이차원 물질이 이차원 평면의 단일층을 이루는 것을 의미한다. 또한, 상기 “다층 구조(multilayer)”란 상기 단층 구조(monolayer)의 이차원 물질 층이 2층 이상 반복 적층된 것을 의미한다.
상기 이차원 물질 층은 단층 구조(monolayer) 또는 다층 구조(multilayer)를 가질 수 있으며, 이에 따라 상기 이차원 물질 층을 이루는 금속 칼코겐 화합물의 밴드갭(bandgap) 값이 변화한다. 따라서 상기 이차원 물질 층의 층수를 단층 구조(monolayer) 또는 다층 구조(multilayer)로 조절하여 검출 대상이 되는 광의 파장에 맞는 광검출기의 제작이 가능하다.
구체적으로, 가시광선을 검출하기 위한 광검출기의 소재로는 380nm 내지 780nm의 밴드갭(bandgap)을 갖는 이차원 물질 층을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 가시광선을 검출하기 위한 광검출기의 소재로 사용될 수 있는 이차원 물질 층은 MoS2, WS2, TiS2, ZrS2, HfS2, VS2, NiS2, PdS2, PtS2, ReS2, GaS, InxSy, GeS, SnS2 및 Bi2S3 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 단층 구조(monolayer)를 포함할 수 있다. 또한, MoS2, WS2, TiS2, ZrS2, HfS2, NiS2, PdS2, PtS2, ReS2, GaS, InxSy, GeS 및 SnS2 중에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어진 다층 구조(multilayer)을 포함할 수 있다. 또한, MoSe2, WSe2, TiSe2, ZrSe2, HfSe2, NiSe2, PdSe2, PtSe2, ReSe2, GaSe, InxSey, GeSe, SnSe2 및 Bi2Se3 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 단층 구조(monolayer)을 포함할 수 있다. 또한, MoSe2, WSe2, ZrSe2, HfSe2, NiSe2, PdSe2, PtSe2, ReSe2, GaSe, InxSey, GeSe 및 SnSe2 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 다층 구조(multilayer)을 포함할 수 있다. 또한, MoTe2, WTe2, TiTe2, ZrTe2, HfTe2, PdTe2, PtTe2, InxTey, GeTe 및 Bi2Te3 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 단층 구조(monolayer)을 포함할 수 있다. 또한, MoTe2, PdTe2 및 PtTe2중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 다층 구조(multilayer)을 포함할 수 있다.
근적외선을 검출하기 위한 광검출기의 소재로는 780nm 내지 2000nm의 밴드갭을 갖는 이차원 물질 층을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 근적외선을 검출하기 위한 광검출기의 소재로 사용될 수 있는 이차원 물질 층은 TiS2, ZrS2, HfS2, VS2, NiS2, PdS2, ReS2 및 Bi2S3 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 단층 구조(monolayer)를 포함할 수 있다. 또한, MoS2, WS2, TiS2, ZrS2, HfS2, NiS2, PdS2, ReS2, 및GaS중에서 선택되는 어느 하나의 물질로 이루어진 다층 구조(multilayer)을 포함할 수 있다. 또한, MoSe2, WSe2, TiSe2, ZrSe2, HfSe2, NiSe2, PdSe2, PtSe2, ReSe2, GaSe, InxSey, GeSe, SnSe2 및 Bi2Se3 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 단층 구조(monolayer)을 포함할 수 있다. 또한, MoSe2, WSe2, ZrSe2, HfSe2, PdSe2, PtSe2, ReSe2, GaSe, InxSey, GeSe 및 SnSe2 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 다층 구조(multilayer)을 포함할 수 있다. 또한, MoTe2, WTe2, TiTe2, ZrTe2, HfTe2, PdTe2, PtTe2, InxTey, GeTe 및 Bi2Te3 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 단층 구조(monolayer)을 포함할 수 있다. 또한, MoTe2, PdTe2 및 PtTe2 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 다층 구조(multilayer)을 포함할 수 있다.
중적외선을 검출하기 위한 광검출기의 소재로는 2000nm 내지 6000nm의 밴드갭을 갖는 이차원 물질 층을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 중적외선을 검출하기 위한 광검출기의 소재로 사용될 수 있는 이차원 물질 층은 TiS2 또는 NiS2로 이루어진 단층 구조(monolayer)를 포함할 수 있다. 또한, TiS2 또는 NiS2로 이루어진 다층 구조(multilayer)를 포함할 수 있다. 또한, TiSe2, NiSe2 또는 Bi2Se3 로 이루어진 단층 구조(monolayer)을 포함할 수 있다. 또한, TiTe2, ZrTe2, HfTe2, PdTe2, PtTe2, 및 Bi2Te3 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어진 단층 구조(monolayer)을 포함할 수 있다. 또한, PdTe2 또는 PtTe2로 이루어진 다층 구조(multilayer)를 포함할 수 있다.
다음으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기에 대해 설명한다.
상기 이차원 물질 기반 광검출기는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기(S100)에 의해 제조될 수 있다.
다음으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차원 물질 층의 치환 도핑 방법에 대해 설명한다. 상기 이차원 물질 층의 치환 도핑 방법은 기판 상에 이차원 물질 층을 형성하는 단계, 상기 이차원 물질 층 상에 불활성 가스와 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스를 주입하는 단계 및 상기 이차원 물질 층에 심자외선을 조사하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 상기 심자외선을 조사하여 상기 이차원 물질 층에 복수의 공공을 형성시켜 상기 도펀트를 치환 도핑하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 심자외선을 조사하는 단계는 15℃ 내지 250℃ 범위의 온도를 유지하는 분위기 하에서 심자외선을 조사하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 심자외선을 조사하는 단계는 심자외선을 30분 내지 120분 동안 조사하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 실험예에 한정되는 것은 아니다.
“Pristine”이란 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 있어서 심자외선을 조사하는 과정을 생략한 채 제조된 이차원 물질 기반 광검출기를 의미한다.
<실험예 1>
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기 내 MoS2 이차원 층의 Raman peak를 나타낸 그래프이다.
도 3 (A) 및 (B)를 참조하면, 심자외선 조사 시 열처리 온도가 증가할수록 Mo와 S 간의 진동 모드를 나타내는 E2g peak가 red shift 거동을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 산소 원자가 MoS2 이차원 층에 치환 도핑되면서 MoS2 이차원 층 구조 내에 strain이 발생함을 알 수 있다.
또한, 심자외선 조사 시 열처리 온도가 증가할수록 S와 S 간의 진동 모드를 나타내는A1g peak가 red shift 거동을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 MoS2 이차원 층 내에 charge 변화가 발생하였음을 알 수 있다.
또한, MoS2의 품질을 나타내는 지표인 FWHM of E2g 값은 큰 변화가 관찰되지 않았는데, 열처리 온도를 300℃로 유지한 경우 FWHM of E2g 값이 증가한 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 300℃ 이상의 고온에서는 MoS2 이차원 층의 품질이 저하되는 것을 알 수 있다.
<실험예 2>
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기 내 MoS2 이차원 층의 PL peak를 나타낸 그래프이다.
도 4 (A) 및 (B)를 참조하면, 심자외선 조사 시의 열처리 온도가 증가할수록 PL peak의 blue shift 및 PL yield가 증가하는 것을 알 수 있으며, 이로부터 심자외선 조사에 의해 형성된 MoS2 이차원 층에 형성된 칼코겐 공공에 산소 원자가 치환 도핑됨을 간접적으로 알 수 있다. 단, 300℃ 이상의 온도에서는 MoS2 이차원 층 내에 구조적 결함이 발생하여 PL yield가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3>
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기 내 MoS2 이차원 층의 일함수 및 캐리어(carrier) 농도를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 심자외선 조사 시 열처리 온도가 증가할수록 일함수는 증가하고 캐리어(carrier) 농도는 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 열처리 온도가 증가할수록 산소 원자가 MoS2 이차원 층에 형성된 칼코겐 공공에 치환 도핑 되는 정도가 증가하는 것을 알 수 있다.
<실험예 4>
도 6 (A)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 광특성을 측정한 그래프이다.
도 6 (A)를 참조하면, 심자외선 조사시 열처리 온도가 증가함에 따라 암전류(drain current)가 감소하고 광특성이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이는 심자외선 조사시 열처리 온도가 증가할수록 산소 원자의 치환 도핑되는 정도가 증가하며, 도핑 효과가 증가함에 따라 MoS2 이차원 층과 전극 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 증가되어 전자-정공 쌍(electron-hole pair)의 재결합을 억제하기 때문이다. 단, 300℃ 이상의 온도에서는 MoS2 이차원 층 내에 구조적 결함이 발생하여 광특성이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
도 6 (B)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 광반응성(photoresponsivitiy), 암전류 대비 광전류의 비율(Iph/Idark) 및 검출능(detectivity)을 측정한 그래프이다.
도 6 (B)를 참조하면, 심자외선 조사시 열처리 온도가 증가할수록 광반응성(photoresponsivitiy), 암전류 대비 광전류의 비율(Iph/Idark) 및 검출능(detectivity)이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 심자외선 조사시 열처리 온도가 증가할수록 산소 원자의 치환 도핑 효과가 증가하고, MoS2 이차원 층 내에 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 증가하기 때문이다. 단, 300℃ 이상의 온도에서는 MoS2 이차원 층 내에 구조적 결함이 발생하여 광반응성(photoresponsivitiy), 암전류 대비 광전류의 비율(Iph/Idark) 및 검출능(detectivity)이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 5>
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 광전류의 rise & decay time을 측정한 그래프이다.
도 7 (A) 및 (B)를 참조하면, 심자외선을 조사하여 산소원자를 치환 도핑 처리한 경우 pristine 광검출기에 비하여 광전류의 rise & decay time이 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 7 (C)를 참조하면, 200℃ 온도 하에서 심자외선을 조사하였을 때 상온에서 심자외선을 조사한 것에 비하여 광전류의 rise & decay time이 더욱 개선된 것을 확인할 수 있다.
도 7 (D)는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 심자외선 조사시 열처리 온도에 따른 광전류의 rise & decay time을 나타낸 그래프이다.
도 7 (D)를 참조하면, 심자외선 조사시 열처리 온도가 증가함에 따라 광검출기의 광전류의 rise & decay time의 개선되는 정도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 심자외선 조사시 열처리 온도가 증가할수록 산소 원자가 MoS2 이차원 층 내의 칼코겐 공공에 치환 도핑되는 정도가 증가하며, 도핑 효과가 증가함에 따라 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 증가되기 때문이다. 단, 300℃ 이상의 온도에서는 MoS2 이차원 층 내에 발생하는 구조적 결함으로 인해 광전류의 rise & decay time이 길어지는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 6>
도 8 은 심자외선 조사 여부에 따른 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도8 (A)는 pristine 광검출기의 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도 8 (B)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 있어서 심자외선을 조사하는 과정을 생략한 채 200℃ 온도 하에서 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도 8 (C)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 있어서 상온에서 심자외선을 조사하여 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도 8 (D)는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법에 있어서200℃ 온도 하에서 심자외선을 조사하여 제조된 이차원 물질 기반 광검출기의 MoS2 이차원 층 내 화학적 결합을 평가한 그래프이다.
도 8 (A), (B), (C) 및 (D)를 참조하면, 심자외선을 조사하지 않은 경우Mo-S 결합을 의미하는Mo4+ peak는 관찰되지만 Mo-O 결합을 의미하는 Mo6+ peak는 관찰되지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, 심자외선을 조사한 경우 Mo4+ peak와 함께 Mo6+ peak도 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 심자외선의 조사를 통해 산소 원자가 MoS2 이차원 층 내 칼코겐 공공에 치환 도핑되어 Mo-O 결합을 형성할 수 있음을 알 수 있다.
<실험예 7>
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기에 있어서 심자외선 조사시 열처리 온도에 따른 MoS2 이차원 층 내의 Mo6+ 농도 및 Mo원자 대비 S 원자의 비율(S/Mo atomic ratio)을 측정한 그래프이다.
도 9를 참조하면, 심자외선 조사시 열처리 온도가 증가할수록 Mo6+ 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 Mo-O 결합이 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, 심자외선을 조사하는 과정을 수행하여 제조된 이차원 물질의 경우, pristine 이차원 물질과 비교하여 Mo원자 대비 S 원자의 비율(S/Mo atomic ratio)이 감소한 것을 확인할 수 있다. 이로부터 심자외선 조사에 의해 MoS2 이차원 층 내에 칼코겐 공공이 형성된 것을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
210 : 실리콘(Si) 기판
220 : SiO2 유전막
230 : MoS2 이차원 층
231 : Mo 원자
232 : S 원자
233 : S 공공
240 : 소스 전극
250 : 드레인 전극
260 : O2
270 : O 원자
280 : O3

Claims (11)

  1. 기판 상에 유전막을 형성하는 단계;
    상기 유전막 상에 이차원 물질 층을 형성하는 단계;
    상기 이차원 물질 층 상에 서로 이격하게 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 이차원 물질 층 상에 불활성 가스와 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스를 주입하는 단계; 및
    상기 이차원 물질 층에 심자외선을 조사하는 단계; 를 포함하고,
    상기 심자외선을 조사하여 상기 이차원 물질 층에 복수의 공공을 형성시켜 상기 도펀트를 치환 도핑하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이차원 물질 층을 형성하는 이차원 물질은 금속 칼코겐 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속 칼코겐 화합물은 MoS2, WS2, TiS2, ZrS2, HfS2, VS2, NiS2, PdS2, PtS2, ReS2, GaS, InxSy, GeS, SnS2, Bi2S3, MoSe2, WSe2, TiSe2, ZrSe2, HfSe2, NiSe2, PdSe2, PtSe2, ReSe2, GaSe, InxSey, GeSe, SnSe2, Bi2Se3, MoTe2, WTe2, TiTe2, ZrTe2, HfTe2, PdTe2, PtTe2, InxTey, GeTe 및 Bi2Te3 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스는 O3, O2, NO, NO2, NH3, PH3, N2 및 Cl2로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 심자외선을 조사하는 단계는 15℃ 내지 250℃ 범위의 온도를 유지하는 분위기 하에서 심자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 심자외선은 4.90 eV 내지 6.70 eV 범위의 광자 에너지를 가지는 심자외선을 포함하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 심자외선을 조사하는 단계는 심자외선을 30분 내지 120분 동안 조사하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 기반 광검출기의 제조방법.
  8. 제1항 내지 7항 중 어느 한 항의 제조방법에 따라 제조된 이차원 물질 기반 광검출기.
  9. 기판 상에 이차원 물질 층을 배치하는 단계;
    상기 이차원 물질 층 상에 불활성 가스와 도펀트 소스로 사용될 수 있는 가스를 주입하는 단계; 및
    상기 이차원 물질 층에 심자외선을 조사하는 단계; 를 포함하고,
    상기 심자외선을 조사하여 상기 이차원 물질 층에 복수의 공공을 형성시켜 상기 도펀트를 치환 도핑하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 층의 치환 도핑 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 심자외선을 조사하는 단계는 15℃ 내지 250℃ 범위의 온도를 유지하는 분위기 하에서 심자외선을 조사하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 층의 치환 도핑 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 심자외선을 조사하는 단계는 심자외선을 30분 내지 120분 동안 조사하는 것을 특징으로 하는 이차원 물질 층의 치환 도핑 방법.
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