KR20230019655A - 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정하는 기술에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치는 기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지고, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 이종접합 광트랜지스터, 상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 광전류 매핑 측정부 및 상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 노이즈 전류 측정부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정 및 노이즈 전류 측정에 대한 기술적 사상에 관한 것으로, p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정하는 기술에 관한 것이다.
최근 이차원물질인 전이 금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)는 우수한 물성과 전기적 특성으로 인하여 다양한 전자 소자 및 광전 소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
고효율의 전이 금속 디칼코게나이드 기반의 광전 소자를 위하여 광전류 생성 및 전하 균형을 최적화가 필요하다.
또한, 고효율의 전이 금속 디칼코게나이드 기반의 광전 소자를 위하여 낮은 암전류를 생성하기 위하여 이상적인 전하 고갈 조건이 필요하다.
그러나, 단일 전이 금속 디칼코게나이드의 광전류 생성은 높은 엑시톤(exciton) 결합에너지(~0.897 eV)로 인해 엑시톤을 분할하기에 충분한 에너지가 없기 때문에 제한적이다.
이러한 고유한 문제를 해결하기 위하여, 소자의 활성 채널영역에 서로 다른 n형 및 p형 반도체의 이종 접합 구조를 생성하여 내부 전위를 조절하는 방법이 연구되었다.
예를 들어, 이종 접합 구조는 p-n-n 접합 구조를 포함할 수 있고, p-n-n 접합 구조는 p-n 접합 구조 및 n-n 접합 구조를 포함한다.
광전소자에서는 광전류 및 노이즈의 원인을 체계적으로 파악하여 반응도(AW-1), 검출도(D*, cmHz1/2W-1)와 같은 광검출기 성능 지수를 극대화하는 것이 중요하다.
그러나, 현재까지 내부 전위가 광전류 생성 효율에 미치는 영향과 플리크 노이즈(flicker noise) 및 숏 노이즈(shot noise)가 성능지수에 미치는 영향은 정확히 밝혀지지 않았다.
노이즈는 원하는 신호의 전송 및 처리를 방해하는 원치 않는 신호로써 정보를 포함하고 있지 않은 신호의 일종이다.
대표적으로 플리크 노이즈(flicker noise), 숏 노이즈(shot noise) 및 존슨 노이즈(Johnson noise)로 분리될 수 있다.
플리커 노이즈는 모든 계측기와 전자 제품에 들어 있는 노이즈로서 아직 까지 그것에 대한 원인 규명이 명확하게 되어있지 않으며, 100Hz 이하의 주파수대역에서 1/f의 경향성으로 크게 증가 하는 모습을 보인다.
숏 노이즈는 DC 전압을 소자에 인가 될 때 전하가 이동하는 순간 발생 되어지고, 일상생활에서 비가 내리는 현상과 같다.
구름에서 출발한 빗방울이 땅에 도달하는 순간은 서로 다르며 비를 전자로 생각해본다면 전자가 출발하는 전극에서 도착하는 전극에 도달하는 서로 다른 시간이 발생되는데, 이는 외부 DC 전압과 물질의 저항에 매우 민감한 노이즈로 볼 수 있다.
존슨 노이즈는 물질이 주변 환경에 의해 조금씩 변화되며 생성되는 약한 노이즈로서 전기적 특성과는 관련 없이 관찰 되어질 수 있다.
광전류는 외부에 인가된 광원에 의해서 광트랜지스터에서 형성되는 전류로 광트랜지스터의 노이즈 수준이 빛에 의해 형성된 광전류와 비슷한 수준으로 높다면, 사용자는 광트랜지스터가 읽는 신호가 빛에 의한 신호인지, 노이즈인지 분간하기 어렵다.
따라서, 암전류 및 노이즈가 낮을수록 작은 신호에도 광트랜지스터가 빛을 정확히 검출할 수 있으며 이는 광트랜지스터 소자의 검출능과 관련될 수 있다.
일반적으로 광트랜지스터 소자의 암전류가 커지면 노이즈도 동시에 증가하는 경향이 있다.
따라서, 암전류가 낮아지면 노이즈 또한 낮아지며, 이는 광트랜지스터로 외부에서 인가되어지는 아주 작은 신호(빛, 레이저, 광원)를 광트랜지스터가 검출하는 검출능과 관련될 수 있다.
본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터에서 n-WS2층에 정전기 도핑에 해당하는 게이트 바이어스를 선택적으로 인가하여 광전류를 생성하기 위한 이종 접합층 사이의 전하 캐리어 균형을 변경함에 따라 전하 균형을 제어하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 p-n 접합과 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 따라 광전류 매핑을 수행하여 광전류 유형 및 광전류 생성 위치를 측정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 공핍층(depletion layer) 형성과 관련된 전자와 정공의 전하 균형에 따른 플리크 노이즈(flicker noise) 및 숏 노이즈(shot noise)를 측정하여 저차원 반도체를 이용하는 광소자(예: 태양광장치 등)의 신호 대 노이즈 비율을 분석하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치는 기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지고, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 이종접합 광트랜지스터, 상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 광전류 매핑 측정부 및 상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 노이즈 전류 측정부를 포함할 수 있다.
상기 게이트층은 h-BN으로 형성되고, 상기 h-BN을 통해 상기 게이트 바이어스에 의한 게이트 전계효과는 상기 채널층에 전달될 수 있다.
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하며, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합에서 전하 균형이 제어될 수 있다.
상기 광전류 매핑 측정부는 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 상기 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행하고, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect, PCe)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성할 수 있다.
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타나고, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 상기 개방 회로 전압(VOC)이 작아지며, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성될 수 있다.
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe) 보다 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 상기 제3 영역에서 상기 채널층의 전자 농도가 높아지면 상기 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 상기 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생될 수 있다.
상기 노이즈 전류 측정부는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 상기 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환할 수 있다.
상기 노이즈 전류 측정부는 상기 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 상기 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법은 기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지는 이종접합 광트랜지스터에서, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 단계; 광전류 매핑 측정부에서, 상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 단계; 및 노이즈 전류 측정부에서, 상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하며, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합에서 전하 균형이 제어될 수 있다.
상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 단계는,
상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 상기 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행하고, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect, PCe)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타나고, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 상기 개방 회로 전압(VOC)이 작아지며, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성될 수 있다.
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe) 보다 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 상기 제3 영역에서 상기 채널층의 전자 농도가 높아지면 상기 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 상기 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생될 수 있다.
상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 단계는,
상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 상기 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환하는 단계 및 상기 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 상기 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정할 수 있다.
본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터에서 n-WS2층에 정전기 도핑에 해당하는 게이트 바이어스를 선택적으로 인가하여 광전류를 생성하기 위한 이종 접합층 사이의 전하 캐리어 균형을 변경함에 따라 전하 균형을 제어할 수 있다.
본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 p-n 접합과 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 따라 광전류 매핑을 수행하여 광전류 유형 및 광전류 생성 위치를 측정할 수 있다.
본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 공핍층(depletion layer) 형성과 관련된 전자와 정공의 전하 균형에 따른 플리크 노이즈(flicker noise) 및 숏 노이즈(shot noise)를 측정하여 저차원 반도체를 이용하는 광소자(예: 태양광장치 등)의 신호 대 노이즈 비율을 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터를 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 결합 구조를 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전자 특성을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 캐스케이드(cascade) 밴드 정렬을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정을 설명하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 대한 어닐링(annealing) 공정을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정과 관련된 천이 구역(transient zone)을 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 노이즈 전류 측정을 설명하는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 p-n 및 n-n 접합에서 시간 분해 광전류 응답을 설명하는 도면이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터를 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 결합 구조를 설명하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전자 특성을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 캐스케이드(cascade) 밴드 정렬을 설명하는 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정을 설명하는 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 대한 어닐링(annealing) 공정을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정과 관련된 천이 구역(transient zone)을 설명하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 노이즈 전류 측정을 설명하는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 p-n 및 n-n 접합에서 시간 분해 광전류 응답을 설명하는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 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 실시된 특징, 숫자, 스테이지, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 스테이지, 동작, 구성요소, 부분품 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 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치(100)는 이종접합 광트랜지스터(110), 광전류 매핑 측정부(120) 및 노이즈 전류 측정부(130)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치(100)는 특정층에 정전기 도핑을 선택적으로 적용하여 광이 입사할 시 광전류를 생성하기 위한 이종접합층 사이의 전하 캐리어 균형을 변조할 수 있다.
또한, 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치(100)는 광전류 매핑을 사용하여 이종접합 광트랜지스터의 작동 전환 영역에서 광전류가 생성되는 위치를 식별할 수 있다.
또한, 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치(100)는 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2에서 단위 활성 영역의 감광도 및 감지율에 미치는 영향 분석을 위한 노이즈 전류 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터(110)는 기판 상에 게이트층이 형성되고, 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가질 수 있다.
또한, 이종접합 광트랜지스터(110)는 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어될 수 있다.
일례로, 게이트층은 h-BN으로 형성되고, h-BN을 통해 게이트 바이어스에 의한 게이트 전계효과는 채널층에 전달될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터(110)는 드레인층과 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 채널층과 소스층이 n-n 접합을 형성한다.
또한, 이종접합 광트랜지스터(110)는 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 p-n 접합과 n-n 접합에서 전하 균형이 제어될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터(110)는 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe) 보다 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생될 수 있다.
또한, 이종접합 광트랜지스터(110)는 제3 영역에서 채널층의 전자 농도가 높아지면 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생될 수 있다.
여기서, 제1 영역은 드레인층과 채널층이 p-n 접합을 형성하는 영역일 수 있고, 제3 영역은 채널층과 소스층이 n-n 접합을 형성하는 영역일 수 있다.
예를 들어, 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)는 에너지 생성 효과로서 접합부에 존재하는 내부전위은 외부 전압 없이 전류(Short-Circuit Current, ISC)와 전압(Open-Circuit Volt, VOC)을 생성한다.
예를 들어, 광도전효과(photoconductive effect, PCe)는 외부 바이어스 생성 광전류에 의해 생성된 외부 전기장을 지칭하고, 광전류를 생성하려면 외부 바이어스가 필요함에 따라 VOC 및 ISC와 같은 효과는 나타낼 수 없다.
따라서, 본 발명의 이종접합 광트랜지스터(110)는 게이트 전압의 바이어스에 따른 광전류 매핑 결과를 통해 광전류 형성 메커니즘을 광기전 효과와 광도전 효과로 분류할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 광전류 매핑 측정부(120)는 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 드레인층, 채널층 및 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정할 수 있다.
구체적으로, 광전류 매핑 측정부(120)는 드레인층과 채널층 사이의 p-n 접합과 채널층과 소스층 사이의 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 광전류 매핑을 위한 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행할 수 있다.
또한, 광전류 매핑 측정부(120)는 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성할 수 있다.
따라서, 이종접합 광트랜지스터(110)의 제1 영역에서 상기 광도전효과(photoconductive effect) 보다 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 이종접합 광트랜지스터(110)의 제3 영역에서 채널층의 전자 농도가 높아지면 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 광도전효과(photoconductive effect)가 더 발생되는 것이 확인될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 노이즈 전류 측정부(130)는 이종접합 광트랜지스터(110)에 광이 인가되지 않는 경우, 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정할 수 있다. 여기서, 광이 인가되지 않은 경우는 광이 없는 어두운 상태를 나타낼 수 있다.
일례로, 노이즈 전류 측정부(130)는 드레인층과 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 채널층과 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환할 수 있다.
즉, 노이즈 전류 측정부(130)는 하기 수학식 1을 이용하여 숏 노이즈 전류를 측정할 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1에서, iSN은 숏 노이즈를 나타낼 수 있고, q는 전자 전하를 나타낼 수 있으며, Idark는 암전류를 나타낼 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 노이즈 전류 측정부(130)는 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정할 수 있다.
즉, 노이즈 전류 측정부(130)는 잡음 전력 밀도의 관계식에 따라 숏 노이즈 전류를 이용하여 플리커 노이즈 전류를 결정할 수 있다.
예를 들어, 노이즈 전류 측정부(130)는 하기 수학식 2를 이용하여 플리커 노이즈 전류를 결정할 수 있다.
[수학식 2]
수학식 2에서, D*는 검출도를 나타낼 수 있고, R은 반응성을 나타낼 수 있고, A는 검출기의 활성 영역을 나타낼 수 있으며, B는 대역폭을 나타낼 수 있고, iFN은 플리커 노이즈 전류를 나타낼 수 있고, NEP는 플리커 노이즈 전류를 반응성으로 나눈 값에 상응할 수 있다.
또한, 도 1에서 설명된 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치에 기반하여 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법이 구현 가능하다.
따라서, 본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터를 구현하고, 구현된 이종접합 광트랜지스터에 대한 광전류 매핑을 통해 게이트 바이어스에 따른 광전류 생성의 위치를 측정하며, 전자와 정공 사이의 전하 균형에 따른 노이즈 전류를 측정할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터를 설명하는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 구조도를 예시한다.
도 2a를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터(200)는 게이트층(201), 채널층(202), 드레인층(203) 및 소스층(204)을 포함한다.
게이트층(201)은 h-BN으로 형성되고, 채널층(202)은 WS2로 형성되며, 드레인층(203)은 WSe2으로 형성되고, 소스층(204)은 MoS2으로 형성됨에 따라 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터(200)로 구현된다.
본 발명의 일실시예에 따르면 이종접합 광트랜지스터(200)는 p형 반도체인 WSe2와 n형 반도체인 MoS2를 WS2 층의 양쪽 끝에 적층하여 p-n-n 접합을 형성한다.
도 2b를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터(210)는 게이트층 아래 게이트 전극(211)이 위치하고, 드레인층 상에 드레인 전극(212)이 위치하며, 소스층 상에 소스 전극(213)이 위치하여 게이트 전극(211)을 통해 게이트 바이어스 및 드레인 전극(212)을 통해 드레인 바이어스를 인가받을 수 있다.
예를 들어, 소스 및 드레인 전극은 PMMA 마스크 전자빔 리소그래피(EBL)를 사용하여 WS2에 적층 형성된 MoS2 및 WSe2에 각각 선택적으로 증착 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 결합 구조를 설명하는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 결합 구조와 관련된 광학 이미지를 예시한다.
도 3a를 참고하면, 이종접합 광트랜지스터의 광학 이미지(300)는 게이트 영역(301), 채널 영역(302), 소스 영역(303) 및 드레인 영역(304)으로 구분되어진다.
예를 들어, 광학 이미지(300)는 광전류 매핑 결과를 가시화하는 광전류 맵핑맵과 유사한 구조를 나타낸다.
도 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 대한 라만 분광법 결과를 예시한다.
도 3b를 참고하면, 그래프(310)는 각 재료에 대한 면내(E1 2g) 및 면외(A1g) 진동 모드를 관찰하여 WSe2로 형성되는 드레인층, WS2로 형성되는 채널층, MoS2로 형성되는 소스층 및 h-BN 유전체층이 라만 분광법으로 식별 가능함을 예시한다.
도 3c는 MoS2-WS2-WSe2 이종접합의 반 데르 발스 갭에서 계면 여기자 생성 및 분리 메커니즘에 대한 개략도를 예시한다.
도 3c를 참고하면, 개략도는 MoS2(321), WS2(322), WSe2(323)을 나타내고, 전자 및 정공의 이동(324)을 예시한다.
이종접합 광트랜지스터를 형성하는 각 층이 반데르발스 이종접합을 형성하더라도 z축에 1차 화학결합 구조가 없고 모든 적층층이 고립되어 있어 각 층의 진동 에너지는 큰 변화를 보이지 않는다.
2차원 물질의 z축에 있는 반데르발스 갭은 층간 전하 분리 장벽으로 중요한 역할을 한다.
따라서 2차원 재료는 광전자 특성을 최대화하기 위해 x-y 평면에서 우수한 전하 이동성을 기반으로 자유 캐리어를 효율적으로 수집하는 이점이 존재한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전자 특성을 설명하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 게이트 바이어스 및 드레인 바이어스의 변경에 따른 전류 매핑을 예시한다.
도 4b는 도 4a에서와 동일한 바이어스 조건 및 0.3 내지 100nA의 전류 범위에서 52μW cm-2의 입사광 전력에서 광전류 매핑 결과를 예시한다.
도 4a의 그래프(400)를 참고하면, 이종접합 광트랜지스터에는 1.5VG에서 0.5VG까지의 게이트 바이어스 및 -1VD에서 1VD까지의 드레인 바이어스가 인가된다.
전류 매핑은 적용된 게이트 전압 및 드레인 전압에 따른 역냉각 영역(402)과 순방향 가열 영역(401)에서 -0.5VG의 일반적인 다이오드 전이를 보여준다.
특히, 검은 점선으로 표시된 임계 전압(VTh)은 상대 p-n 접합에서 qVbi = p-n의 임계 장벽에 비례하여 두 개의 다른 다이오드 방향을 나타낸다.
여기서 q는 전자 전하이고 는 일함수를 나타낸다. 게이트 바이어스의 기능으로 WS2의 페르미 레벨을 이동하면 WSe2 및 MoS2 접합의 임계값 장벽이 변경될 수 있다.
이차원물질인 전이 금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)의 벌크 밴드갭(Eg)은 약 
1.3 eV이며, 페르미 레벨 정렬에 따른 접합의 Vbi는 다음 p-n 접합 공식인 하기 수학식 3을 사용하여 추정할 수 있다.
[수학식 3]
수학식 3에서, NC는 전도대에서 전자의 유효 농도를 나타낼 수 있고, NV는 가전자대에서 정공의 유효 농도를 나타낼 수 있으며, N'D 및 N'A는 각각 순 도너 및 억셉터 농도를 나타낼 수 있다.
WS2의 페르미 레벨(NC/N'D)만 게이트 바이어스의 함수로 조정할 수 있으므로 NV/N'A는 상수로 간주할 수 있다.
따라서,임계 전압(VTh)의 변화는 WS2에 인가된 게이트 바이어스에 따른 qVbi의 변화에 의존한다.
백색광(52 μW cm-2)이 소자를 비추면 도 4b의 그래프(410)와 같이 광기전력 효과가 관찰될 수 있다.
그래프(410)에서는 제1 영역(411), 제2 영역(412) 및 제3 영역(413)으로 구분될 수 있다.
제1 영역(411)은 VOC가 유지되는 p-n 접합이고, 제2 영역(412)은 VOC가 줄어들고 있는 일시적인 영역이며, 제3 영역(413)은 VOC가 사라진 n-n 접합을 포함할 수 있다.
그래프(400)의 다이오드 냉각 영역(402)에서 순 전류는 광전류 생성에 의해 10-12A에서 10-9A로 증가되는 것을 확인할 수 있다.
특정 게이트 범위 -1.5VG 내지 -0.5VG에서 일반적인 광기전력 효과를 관찰했으며 -0.5VG 영역 위로 점차적으로 사라진다.
-0.9 VG 내지 -0.7 VG 범위에서 측정된 개방 회로 전압(open circuit voltage, VOC)은 0.42V로, 이전에 보고된 BP/WS2 이종 접합 장치에서 관찰된 0.33V보다 높을 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 캐스케이드(cascade) 밴드 정렬을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에서 광전 효과를 나타내는 에너지 밴다이어그램을 예시한다.
도 5를 참고하면, 게이트 바이어스가 임계 값보다 작은 제1 영역의 에너지 밴다이어그램(500), 게이트 바이어스와 임계값이 동일한 제2 영역의 에너지 밴다이어그램(510) 및 게이트 바이어스가 임계값보다 큰 제3 영역의 에너지 밴다이어그램(520)을 예시한다.
에너지 밴다이어그램(500), 에너지 밴다이어그램(510) 및 에너지 밴다이어그램(520)을 참고하면, 인가된 게이트 바이어스는 WS2 층(커패시터 기호)에만 영향을 미치므로 이종접합 밴드 다이어그램에서 WS2 층만 페르미 레벨 이동을 보인다.
게이트 바이어스와 관련된 WS2의 페르미 레벨 이동은 도 7a 내지 도 7d를 이용하여 보충 설명한다.
에너지 밴다이어그램(500)은 백색광(52 μW cm-2), VOC와 함께 광기전 효과를 나타낸다.
에너지 밴다이어그램(510)은 WSe2와 WS2의 밴드 오프셋이 에너지 밴다이어그램(500)보다 작아서 VOC가 거의 사라짐을 보여줍니다.
에너지 밴다이어그램(520)에서 WS2와 WSe2의 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 더 좁아짐에 따라 WSe2와 WS2 간의 전송에는 이전 보고서와 유사한 직접 터널링이 포함됨을 보여준다.
이종접합 광트랜지스터는 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타날 수 있다.
또한, 이종접합 광트랜지스터는 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, p-n 접합과 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 개방 회로 전압(VOC)이 작아질 수 있다.
또한, 이종접합 광트랜지스터는 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정을 설명하는 도면이다.
도 6a는 이종접합 광트랜지스터의 제2 영역의 천이 상태의 -0.3VG에서 각각 --0.5VD, 0VD, 0.5VD에서 측정된 광전류 매핑 결과를 예시한다.
도 6b는 이종접합 광트랜지스터의 제1 영역의 p-n 접합의 -1 VD에서 각각 -6VG, -1VG 및 -0.9VG에서 측정된 광전류 매핑 결과를 예시한다.
도 6c는 이종접합 광트랜지스터의 제3 영역의 n-n 접합의 1 VD에서 각각 -0.5VG, -0.3VG 및 -0.2VG에서 측정된 광전류 매핑 결과를 예시한다.
도 6a의 이미지(600)를 참고하면 이미지(601)는 강한 광전류(
1 nA)가 중첩 접합 영역이 아닌 WS2와 WSe2의 접촉 라인에서만 관찰됨을 보여준다.
광전류 발생 방향은 접촉선에서 WS2 층의 중심으로 확장되는 경향이 있다.
MoS2 층은 접지되고 WSe2 층에만 드레인 바이어스가 인가되기 때문에 역방향 바이어스 방향으로 전위 장벽이 낮은 접촉선은 활성 광전류 생성을 보일 수 있다.
이미지(603)과 같이 양의 0.5VD는 WS2 및 MoS2 접촉 라인에서만 광전류를 생성할 수 있다.
이러한 결과는 외부 VD가 공핍층의 두께와 위치를 변화시킴을 의미할 수 있다.
공핍층의 두께는 외부 VD의 함수인 하기 수학식 4로 확인할 수 있다.
[수학식 4]
수학식 4에서, w는 공핍층의 두께를 나타내고, Vbi는 여기자 결합(exciton coupling)을 극복하기 위한 에너지를 나타낼 수 있고, VD는 드레인 전압 바이어스를 나타낼 수 있다.
따라서 이미지(602)와 같이 0VD에서 두 개의 서로 다른 이종접합 접촉선은 서로 다른 방향으로 광전류를 생성하고 WS2 층의 중심에서 점차적으로 사라졌다.
이종 접합 구조에서 공핍층의 두께와 공핍층의 비율은 하기 수학식 4를 이용하여 결정할 수 있다.
[수학식 5]
수학식 5에서, wn는 공핍층의 두께를 나타낼 수 있고, N'D 및 N'A는 각각 순 도너 및 억셉터 농도를 나타낼 수 있다.
N'D의 값이 증가할수록 wTotal의 감소로 인해 공핍층의 두께 wn이 부족하게 되어 WS2층의 드레인 바이어스에 의해 생성되는 광전류가 빌트인 배리어에 의해 생성되는 광전류보다 크게 증가할 수 있다.
이 현상은 단일 2D 물질 기반 광트랜지스터에서 형성되는 광전류 분포와 일치할 수 있다.
도 6b의 이미지(610)를 참고하면, 이미지(611)는 각 이종접합 영역에서 WS2 층에 적용된 드레인 바이어스에 의한 PVe(photovoltaic effect)에 의한 광전류(1.9-1.5 nA)를 생성하고, 광전도 효과(PCe)에 의해 유도된 광전류(under 1 nA)는 양단의 접촉선에 생성됨을 나타낸다.
반면, 도 6c의 이미지(621)의 n-n접합은 n-n 접합은 약한 공핍 효과로 인해 p-n 접합보다 낮은 단위 광전류를 나타낸다.
이러한 결과는 낮은 단위 광전류가 전자 추출에 효과적이나 p-n 접합에 비해 정공 추출이 충분하지 않다는 것을 나타낸다.
도 6b의 이미지(612) 및 이미지(613)의 -1 VG 및 -0.9 VG 조건에서 PVe에 의해 유도된 광전류는 공핍 폭의 감소로 인해 감소한 반면 PCe에 의해 유도된 광전류는 정류 거동보다는 터널링 효과(
109Ω)에 의해 증가한 것을 확인할 수 있다.
WS2의 페르미 준위가 전도대에 충분히 가까울 때 MoS2 접촉 영역은 두 번째 다이오드 장벽을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
도 6c의 이미지(622) 및 이미지(623)은 전도대에서 완전히 퇴화된 WS2의 페르미 준위는 접촉 라인에서 광전류 확산을 유발하는 것을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6c를 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에서 생성되는 광전류가 게이트 전압의 바이어스에 따라 제어될 수 있음을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명은 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조를 가진 다기능 이차원 이종접합 광트랜지스터에서 n-WS2층에 정전기 도핑에 해당하는 게이트 바이어스를 선택적으로 인가하여 광전류를 생성하기 위한 이종 접합층 사이의 전하 캐리어 균형을 변경함에 따라 전하 균형을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 p-n 접합과 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 따라 광전류 매핑을 수행하여 광전류 유형 및 광전류 생성 위치를 측정할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터에 대한 어닐링(annealing) 공정을 설명하는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 이종접합 광트랜지스터에서 게이트 바이어스 이중 스위프의 함수로 ±1 VD의 순방향 드레인 바이어스에서 백색 입사광이 52 W cm-1인 전달 곡선을 예시한다.
도 7c 및 도 7d는 0 VD 바이어스에서 동일한 측정 조건에서 태양광 효과를 이해하기 위한 전달 곡선을 예시한다.
도 7a 및 도 7c의 그래프(700) 및 그래프(720)는 대조군이고, 도 7b 및 도 7d의 그래프(710) 및 그래프(730)는 p-형 도핑 및 최적 전하 균형 경향을 나타내는 어닐링 후의 결과이다.
도 7b 및 도 7d의 그래프(710) 및 그래프(730)의 결과는 WSe2의 홀 특성을 향상시키기 위해 어닐링(annealing) 결과이다.
대기에서 200 ℃의 어닐링은 표면에 WSe2의 자기 제한 산화물 층(WOx)을 형성하여 표면 수용체를 제어할 수 있다.
약 1시간 정도의 어닐링 시간이 산화막의 한계에 도달하여 더 이상 특성에 변화가 없음을 확인할 수 있다.
또한, 오존 O3 및 100 ℃ 온도 환경에서 더 강한 홀 특성을 얻을 수 있지만,공기 분위기에서 소자 특성을 평가하기 위해 위에서 설명한 어닐링 조건이 사용될 수 있다.
어닐링 후 충분히 강화된 WSe2의 정공 특성은 WS2와의 계면에서 충분한 공핍층 두께를 형성함으로써 10-8A에서 10-9A의 1차 크기 전류와 관련된 정류 특성을 향상시키는 것이 확인될 수 있다.
또한 광기전력 효과는 정류 전류 특성을 낮추는데, 광전류의 증가와 정류 전류 레벨이 10-12A에서 10-13A로 낮아져 보다 효율적인 p-n 접합이 형성됨을 알 수 있다.
한편, n-n 접합에 형성되는 2차 다이오드 정류 특성이 10-11A에서 10-10A로 1차 전류가 감소하는 경향도 확인된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 측정과 관련된 천이 구역(transient zone)을 설명하는 도면이다.
도 8의 그래프(800)는 -0.3 VG의 함수로서의 천이 구역의 과도 출력 곡선이고, 라인(801)에 해당하는 -0.5VD, 라인(802)에 해당하는 0VD, 라인(803)에 해당하는 0.5 VD에서 인덱싱된 도 6a 내지 도 6c에 해당될 수 있다.
도 9a 내지 도 9f는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 노이즈 전류 측정을 설명하는 도면이다.
도 9a의 그래프(900)는 -1 VD에서 -0.7 VG에서 -0.2 VG까지 헤르츠 함수로서의 잡음 전력 밀도를 나타낸다.
도 9d의 그래프(930)는 1VD에서 0.2VG 및 0.3VG에서 0.7VG까지의 헤리츠 함수로서의 잡음 전력 밀도를 나타낸다.
그래프(900) 및 그래프(930)에서 선(901) 및 선(931) 각각은 100Hz 미만의 가이드선이다.
1Hz 쵸핑(chopped) 조건에서 광전류 측정이 처리되었으며 선(901) 및 선(931)은 잡음 전력 밀도 수준을 나타낼 수 있다.
도 9b의 그래프(910) 및 도 9e의 그래프(940)는 각각 다이오드 1 및 다이오드 2의 과도 게이트 바이어스 범위에서 ±1 VD의 전송 곡선을 나타낸다.
도 9c의 그래프(920) 및 도 9f의 그래프(950)는 p-n 및 n-n 접합의 -1 VD 및 1 VD 역 바이어스에서 플리커 노이즈 및 샷 노이즈를 나타낸다.
그래프(910)는 어두운 조건에서 순방향(+1VG) 및 역방향(-1VG) 바이어스에서 게이트 바이어스의 함수로 측정된 pn 접합 다이오드의 전달 곡선을 보여준다.
게이트 바이어스의 함수로서의 암전류는 샷 노이즈 및 플리커 노이즈 전류로 변환될 수 있다.
그래프(900)에서 -0.7VG에서 10-10A의 전류 레벨은 10-26A2Hz-1 부근에서 노이즈 플로어 동작을 나타낸다.
-0.6VG에서 10-9A의 전류 레벨은 서브 로그 선형 피팅(1/f)α에서 플리커 노이즈 전류를 보여주기 시작한다.
그래프(920)는 게이트 바이어스의 함수로 플리커 노이즈와 샷 노이즈 전류를 비교한 것이다.
그래프(920)에 따르면 1Hz에서 플리커 노이즈 전류를 추출 가능하고, 플리커 노이즈 크기는 10-10A의 낮은 암전류 범위에서 샷 노이즈보다 10배 더 높은 것을 확인할 수 있다.
암전류가 증가함에 따라 플리커 노이즈 전류는 샷 노이즈의 1000배까지 점차 증가할 수 있다.
반면에 n-n 접합 다이오드의 암전류(6 × 10-11 A)는 그래프(940)와 같이 p-n 접합 다이오드의 암전류(2 × 10-12 A)보다 훨씬 높은 것을 확인할 수 있다. 이는 n-n 접합 다이오드의 정류 비율이 좋지 않기 때문이다.
n-n 접합 소자에서 플리커 노이즈 전류의 동작은 p-n 접합 다이오드의 동작과 유사할 수 있다.
그래프(940)과 같이 0.2VG에서 측정된 플리커 노이즈 전류는 암전류에 반비례하는 것으로 보입니다.
채널 표면의 공석과 화학적 트랩은 플리커 노이즈 전류의 크기에 영향을 줄 수 있으며 게이트 전계 효과 다이오드는 섹션에 자세히 설명된 대로 공핍층 두께의 함수로 접합 커패시턴스에 크게 의존할 것으로 예상될 수 있다.
따라서, 본 발명은 이종접합 광트랜지스터에서 공핍층(depletion layer) 형성과 관련된 전자와 정공의 전하 균형에 따른 플리크 노이즈(flicker noise) 및 숏 노이즈(shot noise)를 측정하여 저차원 반도체를 이용하는 광소자(예: 태양광장치 등)의 신호 대 노이즈 비율을 분석할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 이종접합 광트랜지스터의 p-n 및 n-n 접합에서 시간 분해 광전류 응답을 설명하는 도면이다.
도 10a의 그래프(1000)는 -3 VG에서 52 uW cm-1의 백색 입사광으로 출력되는 것을 나타내고, 위반 영역은 TRPR(Time-Resolved Photocurrent Response) 측정 영역일 수 있다.
그래프(1010)는 -1 VD에서 다른 광 입사 전력의 함수로서 전체적인 광 온-오프 동작을 나타낼 수 있다.
그래프(1020)는 시간 분해 상승 및 감쇠 분석을 위한 확대 이미지를 나타낼 수 있다.
그래프(1030)는 0 VD에서 다른 광 입사 전력의 함수로서 전체 광 온-오프 동작을 나타낼 수 있다.
그래프(1040)는 시간 분해 상승 및 감쇠 분석을 위한 확대 이미지를 나타낼 수 있다.
도 10b의 그래프(1050)를 참고하면, 0 VG에서 52 uW cm-1의 백색 입사광으로 출력될 수 있고, 위반 영역은 TRPR 측정 영역일 수 있다.
그래프(1060)은 1 VD에서 다른 광 입사 전력의 함수로서 전체적인 광 온-오프 동작을 나타낼 수 있다.
그래프(1070)는 시간 분해 상승 및 감쇠 분석을 위한 확대 이미지를 나타낼 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 p-n 접합 및 n-n 접합에서의 TRPR 분석을 보여준다.
이종접합 광트랜지스터는 외부 전압 적용 및 게이트에 의해 제어될 수 있다.
외부 전압에 의해 조정된 도 10b는 1단계 광전류 상승(-1 VD)과 2단계 광전류 상승(0 VD)인 광전류 상승 경향의 차이를 나타낸다.
0 VD에서 공핍층의 두께는 -1VD의 반대에서 공핍층 두께보다 얇아 관찰된 서로 다른 광전류 상승 경향의 차이를 보여준다.
또한, 1VD에서 n-n 접합에서 광전류의 상승 경향은 0VD에서 관찰된 평면 2차 광전류 상승과 다른 현상을 보인다.
n-n 접합의 쇼트키(Schottcky) 접합을 사용하여 주 메뉴 스크립트에 설명된 대로 매우 좁은 공핍층이 형성되었다고 가정하면 TRPR 결과의 일관성이 확인될 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.
또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 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.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100: 이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치
110: 이종접합 광트랜지스터 120: 광전류 매핑 측정부
130: 노이즈 전류 측정부
110: 이종접합 광트랜지스터 120: 광전류 매핑 측정부
130: 노이즈 전류 측정부
Claims (14)
- 기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지고, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 이종접합 광트랜지스터;
상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 광전류 매핑 측정부; 및
상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 노이즈 전류 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 게이트층은 h-BN으로 형성되고, 상기 h-BN을 통해 상기 게이트 바이어스에 의한 게이트 전계효과는 상기 채널층에 전달되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하며, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합에서 전하 균형이 제어되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치. - 제3항에 있어서,
상기 광전류 매핑 측정부는 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 상기 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행하고, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect, PCe)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치. - 제3항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타나고, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 상기 개방 회로 전압(VOC)이 작아지며, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치. - 제5항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe)보다 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 상기 제3 영역에서 상기 채널층의 전자 농도가 높아지면 상기 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 상기 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 노이즈 전류 측정부는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 상기 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치. - 제7항에 있어서,
상기 노이즈 전류 측정부는 상기 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 상기 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 장치. - 기판 상에 게이트층이 형성되고, 상기 형성된 게이트층 상에 채널층이 WS2로 형성되며, 상기 채널층 상에 드레인층이 WSe2로 형성되고, 소스층이 MOS2로 형성되어 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 이종접합 구조를 가지는 이종접합 광트랜지스터에서, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어되는 단계;
광전류 매핑 측정부에서, 상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 단계; 및
노이즈 전류 측정부에서, 상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법. - 제9항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하며, 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가되어 상기 채널층의 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합에서 전하 균형이 제어되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터에 인가되는 광에 의해 생성되는 광전류의 분포와 방향을 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑함에 따라 상기 드레인층, 상기 채널층 및 상기 소스층에서 광전류 생성의 위치를 측정하는 단계는,
상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합으로 두 개의 다른 다이오드 방향에 대하여 상기 레이저를 사용하여 스캐닝 광전류 매핑을 수행하고, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역 및 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)에 의해 발생하는 광전류 위치 및 크기와 광도전효과(photoconductive effect, PCe)에 의해 유도된 광전류의 위치 및 크기를 측정 및 표시하는 광전류 맵을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 채널층에 게이트 바이어스가 인가될 시 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 작을 경우, 상기 p-n 접합에 해당하는 제1 영역에서 개방 회로 전압(VOC)과 함께 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 나타나고, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨과 같을 경우, 상기 p-n 접합과 상기 n-n 접합의 사이에 해당하는 제2 영역에서 상기 개방 회로 전압(VOC)이 작아지며, 상기 게이트 바이어스의 레벨이 임계 레벨보다 클 경우, 상기 n-n 접합에 해당하는 제3 영역에서 전도대 사이의 전위 장벽(potential barrier)이 좁아짐에 따라 직접 터널링(direct tunneling) 효과가 생성되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법. - 제12항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터는 상기 제1 영역에서 광도전효과(photoconductive effect, PCe) 보다 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)가 더 발생되고, 상기 제3 영역에서 상기 채널층의 전자 농도가 높아지면 상기 소스층의 계면에서 공핍층(depletion layer)의 영향으로 상기 광기전효과(photovoltaic effect, PVe)보다 상기 광도전효과(photoconductive effect, PCe)가 더 발생되는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법. - 제9항에 있어서,
상기 이종접합 광트랜지스터에 상기 광이 인가되지 않는 경우, 상기 게이트 바이어스의 방향에 따른 암전류(dark current)를 노이즈 전류로 변환하여 측정하는 단계는,
상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하는 제1 영역과 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 제3 영역 중 어느 하나의 영역에서의 암전류(dark current)와 전자 전하(electron charge)를 이용하여 상기 암전류(dark current)를 숏 노이즈 전류로 변환하는 단계; 및
상기 암전류(dark current)의 크기에 따른 배율을 상기 변환된 숏 노이즈 전류에 적용하여 플리커 노이즈 전류를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는
이종접합 광트랜지스터의 광전류 매핑 및 노이즈 전류 측정 방법.
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