KR20230026010A - 화학기상증착을 통한 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법, 이에 의해 제조된 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질 및 이를 포함하는 트랜지스터 - Google Patents
화학기상증착을 통한 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법, 이에 의해 제조된 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질 및 이를 포함하는 트랜지스터 Download PDFInfo
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Abstract
MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법이 개시된다. MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법은 화학기상증착(CVD) 챔버 내에 기판, 몰리브덴(Mo) 전구체 및 텔루륨(Te) 전구체를 배치하는 제1 단계; 운송가스를 이용하여 몰리브덴 원자에 대한 텔루륨 원자의 비율이 제1 비율이 되도록 몰리브덴 전구체 증기 및 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 선형 Mo6Te6 네트워크를 형성하는 제2 단계; 및 상기 운송가스를 이용하여 상기 몰리브덴 원자에 대한 상기 텔루륨 원자의 비율이 상기 제1 비율보다 큰 제2 비율이 되도록 상기 몰리브덴 전구체 증기 및 상기 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 상기 선형 Mo6Te6 네트워크의 일부로부터 MoTe2 박막을 성장시키는 제3 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 2차원 물질과 1차원 물질의 이종 접합을 포함하는 혼합 차원 이종구조 물질을 제조하는 방법, 이에 의해 제조된 혼합 차원 이종구조 물질 및 이를 포함하는 트랜지스터에 관한 것이다.
혼합 차원 이종구조 물질은 하이브리드 구조에서 유래한 새로운 물리화학적 특성 때문에 많은 관심을 끌고 있다. 이런 혼합 차원 이종구조 물질의 제조 공정에서의 오염을 줄이고 대규모 공정으로 발전시킬 수 있는 직접 합성법(direct synthesis)이 연구되었으나, 수직으로 접합된(vertical) 이종구조 물질의 직접 합성법이 개발된 것과 달리, 여전히 평면으로 접합된(in-plane) 혼합 차원 이종구조 물질의 직접 합성법은 해결 과제로 남아있었다.
2차원 반도체와 금속의 접촉부에서 발생하는 저항은 2차원 전자 기기의 성능을 제한한다. 이를 해결하기 위해, 가장자리를 통해 접합한(edge-contacted) 2차원 반도체 소자가 이용되어 왔으며, MoTe2와 같은 몰리브덴-텔루륨 화합물이 그 모델로 연구되어 왔다.
또한, 최근 2차원 MoTe2를 초고진공 어닐링(annealing)을 통해 1차원 Mo6Te6가 생성되었다. 이런 1차원 Mo6Te6는 1차원 전이 금속 칼코게나이드(Transition metal chalcogenide; TMC)로서, 금 전극과 이상적인 저항 접촉을 형성하며 기계적으로도 뛰어난 안정성을 가지고 있다. 이런 1차원 TMC는 차세대 나노디바이스에 나노스케일 인터커넥터로 적용될 수 있다. 따라서, 고성능 2차원 전자소자를 위해 2차원 MoTe2에 1차원 Mo6Te6가 가장자리를 통해 접합한 소자 및 그 제조 방법의 개발이 강하게 요구된다.
본 발명의 일 목적은 평면으로 접합된 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질을 직접 합성하는 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법에 의해 제조된 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 이종구조 물질을 포함하는 트랜지스터를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질의 제조방법은 화학기상증착(CVD) 챔버 내에 기판, 몰리브덴(Mo) 전구체 및 텔루륨(Te) 전구체를 배치하는 제1 단계; 운송가스를 이용하여 몰리브덴 원자에 대한 텔루륨 원자의 비율이 제1 비율이 되도록 몰리브덴 전구체 증기 및 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 선형 Mo6Te6 네트워크를 형성하는 제2 단계; 및 상기 운송가스를 이용하여 상기 몰리브덴 원자에 대한 상기 텔루륨 원자의 비율이 상기 제1 비율보다 큰 제2 비율이 되도록 상기 몰리브덴 전구체 증기 및 상기 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 상기 선형 Mo6Te6 네트워크의 일부로부터 MoTe2 박막을 성장시키는 제3 단계;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 비율은 0.5 내지 1.5일 수 있고, 상기 제2 비율은 2 내지 3일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버는 상기 텔루륨 전구체가 위치하는 제1 히팅존 및 상기 몰리브덴 전구체가 위치하고 상기 제1 히팅존과 독립적으로 온도가 제어될 수 있는 제2 히팅존을 포함할 수 있고, 상기 제1 히팅존과 상기 제2 히팅존의 온도를 제1 온도 조절 장치 및 제2 온도 조절 장치를 이용하여 각각 독립적으로 제어함으로써 상기 제1 및 제2 비율이 조절될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 텔루륨 전구체는 텔루륨 금속을 포함할 수 있고, 상기 몰리브덴 전구체는 삼산화몰리브덴을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 히팅존 내에서 상기 기판의 양측에 인접하게 배치된 제1 결정 성장 유도체 및 제2 결정 성장 유도체가 추가로 배치될 수 있고, 상기 제1 및 제2 결정 성장 유도체 각각은 지지체 및 상기 지지체 상에 도포된 삼산화몰리브덴을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계 동안 상기 제1 히팅존은 45 내지 55℃의 온도로 가열될 수 있고, 상기 제3 단계 동안 상기 제1 히팅존은 460 내지 470℃의 온도로 가열될 수 있으며, 상기 제2 및 제3 단계 동안 상기 제2 히팅존은 670 내지 690℃의 온도로 가열될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계 동안 상기 제1 히팅존이 45 내지 55℃의 온도로 가열되는 시간은 3 내지 10분일 수 있고, 상기 제3 단계 동안 상기 제1 히팅존이 460 내지 470℃의 온도로 가열되는 시간은 30 내지 90분일 수 있고, 상기 제2 및 제3 단계 동안 상기 제2 히팅존이 670 내지 690℃의 온도로 가열되는 시간은 40 내지 90분일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질은 반도체 특성을 갖는 MoTe2 박막 및 상기 MoTe2 박막의 측면에 접합될 수 있고, 전도성 특성을 갖는 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 박막은 MoTe2층이 1 내지 10 분자층으로 적층될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물을 구성하는 Mo6Te6 와이어의 직경은 3 내지 8 nm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 박막의 두께와 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물의 두께의 차이는 0.7 내지 1.5 nm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 박막을 둘러싸도록 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 박막은 MoTe2 원형 박막일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 원형 박막의 지름은 2 내지 16 μm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질을 포함하는 트랜지스터는, 반도체 특성을 갖는 MoTe2 박막; 상기 MoTe2 박막의 일측면에 접합된 전도성 특성을 갖는 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물; 상기 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물과 이격되어 상기 MoTe2 박막의 타측면에 형성된 전도성 특성을 갖는 제2 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물; 상기 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물에 연결된 소스 전극; 상기 제2 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물에 연결된 드레인 전극; 및 상기 MoTe2 박막의 전도도를 조절하는 게이트 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 유량 조절 화학기상증착을 통한 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법, 이에 의해 제조된 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질 및 이를 포함하는 트랜지스터에 따르면, 화학기상증착 챔버 내에 기판, 몰리브덴 전구체 및 텔루륨 전구체를 배치한 후 운송가스를 이용하여 몰리브덴 원자에 대한 텔루륨 원자의 비율이 제1 비율이 되도록 몰리브덴 전구체 증기 및 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하고, 상기 운송가스를 이용하여 상기 몰리브덴 원자에 대한 상기 텔루륨 원자의 비율이 상기 제1 비율보다 큰 제2 비율이 되도록 상기 몰리브덴 전구체 증기 및 상기 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 상기 선형 Mo6Te6 네트워크의 일부로부터 MoTe2 박막을 성장시킬 수 있다.
따라서, 박막형 MoTe2와 선형 Mo6Te6가 평면에서 접합하는 이종구조 물질을 직접 합성할 수 있으므로, 공정 과정에서 소자의 오염을 줄일 수 있고 대규모 공정으로 확장시킬 수 있다. 또한, 가장자리를 통해 접합한(edge-contacted) 2차원 반도체 소자를 제공하여, 2차원 반도체와 금속의 접촉부에서 발생하는 저항을 감소시키므로, 2차원 전자 기기의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1a는, 몰리브덴과 텔루륨의 화합물을 합성하기 위해 텔루륨과 몰리브덴의 원자비를 조절하는 화학기상증착법의 흐름도를 나타낸다.
도 1b는, 몰리브덴과 텔루륨의 화합물을 합성하기 위해 텔루륨과 몰리브덴의 원자비를 조절하는 화학기상증착법의 개략도를 나타낸다.
도 2는, 텔루륨 유량에 따라 형성된 각 물질들의 광학, SEM 이미지, 라만 스펙트럼, 라만 맵, AFM 높이 이미지 및 라인 프로파일 등을 나타낸다.
도 3은, 1D Mo6Te6, 소수층 2H MoTe2, 1D-2D Mo6Te6-MoTe2 이종구조 등의 평면 및 단면 STEM 이미지를 나타낸다.
도 4는, 온도에 따라 합성된 물질들의 SEM 이미지 및 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는, 온도에 따라 합성된 물질들의 라만맵을 나타낸다.
도 6은, 온도 및 시간에 따라 합성된 물질들의 광학 이미지 및 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 1b는, 몰리브덴과 텔루륨의 화합물을 합성하기 위해 텔루륨과 몰리브덴의 원자비를 조절하는 화학기상증착법의 개략도를 나타낸다.
도 2는, 텔루륨 유량에 따라 형성된 각 물질들의 광학, SEM 이미지, 라만 스펙트럼, 라만 맵, AFM 높이 이미지 및 라인 프로파일 등을 나타낸다.
도 3은, 1D Mo6Te6, 소수층 2H MoTe2, 1D-2D Mo6Te6-MoTe2 이종구조 등의 평면 및 단면 STEM 이미지를 나타낸다.
도 4는, 온도에 따라 합성된 물질들의 SEM 이미지 및 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는, 온도에 따라 합성된 물질들의 라만맵을 나타낸다.
도 6은, 온도 및 시간에 따라 합성된 물질들의 광학 이미지 및 라만 스펙트럼을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 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 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.
도 1a 및 도 1b는, 본 발명의 실시예에 따른 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질의 제조방법을 설명하기 위한 순서도 및 공정도를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질의 제조방법은 화학기상증착(CVD) 챔버 내에 기판, 몰리브덴(Mo) 전구체 및 텔루륨(Te) 전구체를 배치하는 제1 단계(S110); 운송가스를 이용하여 몰리브덴 원자에 대한 텔루륨 원자의 비율이 제1 비율이 되도록 몰리브덴 전구체 증기 및 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 선형 Mo6Te6 네트워크를 형성하는 제2 단계(S120); 및 상기 운송가스를 이용하여 상기 몰리브덴 원자에 대한 상기 텔루륨 원자의 비율이 상기 제1 비율보다 큰 제2 비율이 되도록 상기 몰리브덴 전구체 증기 및 상기 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 상기 선형 Mo6Te6 네트워크의 일부로부터 MoTe2 박막을 성장시키는 제3 단계(S130);를 포함한다.
상기 제1 단계(S110)에서, 상기 텔루륨 전구체는 텔루륨 금속을 포함할 수 있고, 상기 몰리브덴 전구체는 삼산화몰리브덴을 포함할 수 있다. 예를 들면, 텔루륨 금속은 텔루륨 금속 슬러그(slug)를 포함할 수 있고, 상기 몰리브덴 전구체는 삼산화몰리브덴 파우더(powder)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 몰리브덴 전구체는 상기 텔루륨 전구체보다 상기 챔버의 하류에 위치할 수 있고, 상기 기판은 상기 몰리브덴 전구체보다 상기 챔버의 하류에 위치할 수 있다.
상기 제1 단계(S110)에서, 상기 챔버는 상기 텔루륨 전구체가 위치하는 제1 히팅존 및 상기 몰리브덴 전구체가 위치하고 상기 제1 히팅존과 독립적으로 온도가 제어될 수 있는 제2 히팅존을 포함할 수 있다.
상기 제1 단계(S110)에서, 상기 제2 히팅존 내에서 상기 기판의 양측에 인접하게 배치된 제1 결정 성장 유도체 및 제2 결정 성장 유도체가 추가로 배치될 수 있고, 상기 제1 및 제2 결정 성장 유도체 각각은 지지체 및 상기 지지체 상에 도포된 삼산화몰리브덴을 포함할 수 있다. 상기 지지체는 상기 기판과 같거나 다를 수 있다. 상기 제1 및 제2 결정 성장 유도체를 상기 기판의 양측에 인접하게 배치하는 경우, 일측에 배치하는 경우에 비해 저차원 몰리브덴-텔루륨 화합물의 합성이 용이하다.
상기 제2 단계(S120)에 있어서, 상기 몰리브덴 전구체 증기 및 상기 텔루륨 전구체 증기는 캐리어 가스를 통해 상기 기판 상에 제공될 수 있다. 상기 제1 비율은 상기 기판 상에 선형 Mo6Te6 네트워크가 증착되도록 조절될 수 있고, 그 조절방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 제1 비율은 온도, 압력, 구성 요소의 기하학적 형상 등 물리적 방법 또는 화학적인 방법으로 조절될 수 있다
일 실시예에 있어서, 상기 제1 비율은 약 0.5 내지 1.5일 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 비율은 약 0.8 내지 1.2 일 수 있다.
상기 제3 단계(S130)에 있어서, 상기 몰리브덴 전구체 증기 및 상기 텔루륨 전구체 증기는 캐리어 가스를 통해 상기 기판 상에 제공될 수 있다. 상기 제2 비율은 상기 기판 상에 MoTe2 박막이 형성되도록 조절될 수 있고, 그 조절방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 제2 비율은 온도, 압력, 구성 요소의 기하학적 형상 등의 물리적 방법 또는 화학적인 방법으로 조절될 수 있다
일 실시예에 있어서, 상기 제2 비율은 약 2 내지 3일 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 비율은 약 2.4 내지 2.7일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 박막은 상기 제2 단계(S120) 동안 형성된 선형 Mo6Te6 네트워크의 가운데 부분으로부터 성장될 수 있다. 예를 들면, 상기 MoTe2 박막은 상기 선형 Mo6Te6 네트워크의 가운데 부분으로부터 상기 선형 Mo6Te6 네트워크 사이의 공간을 채우도록 성장될 수 있고, 그 결과 본 발명에 따라 합성되는 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질에서, 상기 MoTe2 박막과 상기 선형 Mo6Te6 네트워크는 실질적으로 동일한 평면에 위치하도록, 상기 선형 Mo6Te6 네트워크가 상기 MoTe2 박막의 측면에 접합된 구조를 가질 수 있다.
상기 제2 단계(S120) 및 제3 단계(S130)에 있어서, 상기 제1 히팅존과 상기 제2 히팅존의 온도를 제1 온도 조절 장치 및 제2 온도 조절 장치를 이용하여 각각 독립적으로 제어함으로써 상기 제1 및 제2 비율이 조절될 수 있으며, 상기 제1 온도 조절 장치 및 제2 온도 조절 장치가 온도를 조절하는 방법은 특별히 제한되지 않는다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계(S120) 동안 상기 제1 비율로 상기 몰리브덴 전구체 증기와 상기 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 제공하기 위해, 상기 제1 히팅존은 약 45 내지 55℃의 온도로 가열될 수 있고, 상기 제2 히팅존은 약 670 내지 690℃의 온도, 예를 들면, 약 675 내지 685℃의 온도로 가열될 수 있다.
상기 제3 단계(S130) 동안 상기 제2 비율로 상기 몰리브덴 전구체 증기와 상기 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 제공하기 위해, 상기 제1 히팅존은 약 460 내지 470℃, 예를 들면, 약 463 내지 468℃의 온도로 가열될 수 있고, 상기 제2 히팅존은 약 670 내지 690℃, 예를 들면, 약 675 내지 685℃의 온도로 가열될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 히팅존이 상기 제2 단계(S120) 동안 약 45 내지 55℃의 온도로 3 내지 10분 가열된 후, 상기 제3 단계(S130) 동안 460 내지 470℃의 온도로 30 내지 90분 가열되는 동시에, 상기 제2 히팅존은 상기 제2 및 제3 단계(S120, S130) 동안 670 내지 690℃의 온도로 40 내지 90분 가열될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 히팅존이 상기 제2 단계(S120) 동안 약 45 내지 55℃의 온도로 3 내지 10분 가열된 후, 상기 제3 단계(S130) 동안 460 내지 470℃의 온도로 30 내지 50분 가열되는 동시에, 상기 제2 히팅존은 상기 제2 및 제3 단계(S120, S130) 동안 670 내지 690℃의 온도로 40 내지 500분 가열될 수 있다.
본 발명의 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질의 제조방법에 따르면, 선형 Mo6Te6 네트워크 구조물과 MoTe2 박막이 평면으로 접합(in-plane)되고, 가장자리를 통해 접합한(edge-contacted) 혼합 차원 이종구조 물질의 직접 합성이 가능하다. 본 발명을 통해 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질을 직접 합성하여, 제조 공정에서의 오염을 줄이고 대규모 공정으로 발전시킬 수 있다.
한편, 상기의 방법으로 제조될 수 있는 혼합 차원 이종구조 물질은 반도체 특성을 갖는 MoTe2 박막; 및 상기 MoTe2 박막의 측면에 접합되고, 전도성 특성을 갖는 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물;을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 박막은 소수층(few-layer) 박막일 수 있다. 예를 들어, MoTe2층은 1 내지 10 분자층으로 적층될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물은 Mo6Te6 와이어들이 망상 구조로 결합된 형태를 가질 수 있고, 상기 Mo6Te6 와이어의 직경은 약 3 내지 8 nm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 박막 및 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물은 같은 평면상에 존재할 수 있다. 예를 들어, 상기 MoTe2 박막의 두께와 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물의 두께의 차이는 약 0.7 내지 1.5 nm일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 MoTe2 박막을 둘러싸도록 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물을 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 MoTe2 박막은 원형 박막일 수 있다.
예를 들어, 상기 MoTe2 원형 박막의 지름은 약 2 내지 16 μm일 수 있다.
본 발명의 MoTe2-Mo6Te6 혼합 차원 이종구조 물질은 가장자리를 통해 접합한(edge-contacted) 2차원 반도체 소자를 제공하여, 2차원 반도체와 금속의 접촉부에서 발생하는 저항을 감소시키므로, 2차원 전자 기기의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 혼합 차원 이종구조 물질은 트랜지스터에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 MoTe2 박막 및 상기 MoTe2 박막을 둘러싸는 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물을 포함하는 원료물질을, MoTe2 게이트 박막, 상기 MoTe2 게이트 박막의 일측면에 접합된 전도성 특성을 갖는 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물 및 상기 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물과 이격되어 상기 MoTe2 게이트 박막의 타측면에 형성된 전도성 특성을 갖는 제2 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물을 구비하도록 물리적 또는 화학적 방법으로 가공한 후 이를 상기 트랜지스터에 적용할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 실시예에 따른 트랜지스터는 반도체 특성을 갖는 MoTe2 박막; 상기 MoTe2 박막의 일측면에 접합된 전도성 특성을 갖는 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물; 상기 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물과 이격되어 상기 MoTe2 박막의 타측면에 형성된 전도성 특성을 갖는 제2 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물; 상기 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물에 연결된 소스 전극; 상기 제2 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물에 연결된 드레인 전극; 및 상기 MoTe2 박막의 전도도를 조절하는 게이트 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 혼합 차원 이종구조 물질 및 이를 적용한 트랜지스터에 따르면, 가장자리를 통해 접합한(edge-contacted) 2차원 반도체 소자를 제공하여, 2차원 반도체와 금속의 접촉부에서 발생하는 저항을 감소시키므로, 2차원 전자 기기의 성능을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기에 기재된 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
2-구역 수평 핫-월(hot wall) 튜브 가열장치가 질량 유동 제어기(mass flow controller; MFC)와 함께 준비된 후, 1인치 직경의 석영 튜브안에 알루미늄 보트에 올린 Te 슬러그(0.2g, Sigma-Aldrich, 99.999%)가 상류에 배치되었고, 알루미늄 보트에 올린 MoO3 파우더(0.2g, Sigma-Aldrich, 99.5%)가 하류에 배치되었다. 결정 성장 유도체인 MoO3/SiO2/Si을 준비하기 위해, MoO3 파우더는 에탄올과 1:9의 비율로 혼합된 뒤, SiO2/Si 기판에 두 방울 떨어뜨려 건조되었다. 상기 MoO3/SiO2/Si 결정 성장 유도체는 하류의 SiO2/Si 기판 양측에 배치되었다. 상기 석영 튜브를 5 mTorr 이하의 진공 상태가 만든 후, 대기압에 도달할 때까지 아르곤 가스를 100 sccm으로 흘려보냄으로써, CVD 챔버가 준비되었다.
이어서, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 25분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 465℃로 승온된 후, 그 온도를 20분 간 유지함으로써 실시예 1에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일하게 CVD 챔버가 준비되었다.
이어서, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 45분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 465℃로 승온된 후, 그 온도를 40분 간 유지함으로써 실시예 2에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[실시예 3]
실시예 1과 동일하게 CVD 챔버가 준비되었다.
이어서, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 85분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 465℃로 승온된 후, 그 온도를 80분 간 유지함으로써 실시예 3에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[비교예 1]
CVD 챔버를 준비한 후, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 25분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 450℃로 승온된 후, 그 온도를 20분 간 유지함으로써 비교예 1에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[비교예 2]
CVD 챔버를 준비한 후, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 45분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 450℃로 승온된 후, 그 온도를 40분 간 유지함으로써 비교예 2에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[비교예 3]
CVD 챔버를 준비한 후, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 85분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 450℃로 승온된 후, 그 온도를 80분 간 유지함으로써 비교예 3에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[비교예 4]
CVD 챔버를 준비한 후, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 25분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 600℃로 승온된 후, 그 온도를 20분 간 유지함으로써 비교예 4에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[비교예 5]
CVD 챔버를 준비한 후, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 45분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 600℃로 승온된 후, 그 온도를 40분 간 유지함으로써 비교예 5에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[비교예 6]
CVD 챔버를 준비한 후, 준비된 CVD 챔버에 수소/아르곤가스를 상기 MFC를 통과하여 20 sccm으로 흘려보냈다. 이와 동시에, 상기 MoO3 파우더는 15분 간 680℃로 승온된 후, 그 온도를 85분간 유지하는 반면, 상기 Te 슬러그는 5분간 50℃로 가열된 후, 15분 간 600℃로 승온된 후, 그 온도를 80분 간 유지함으로써 비교예 6에 따른 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질이 제조하였다.
[실험예]
도 2는, 텔루륨 유량에 따라 형성된 각 물질들의 광학, SEM 이미지, 라만 스펙트럼, 라만 맵, AFM 높이 이미지 및 라인 프로파일 등을 나타낸다.
도 3은, 1D Mo6Te6, 소수층 2H MoTe2, 1D-2D MoTe2-Mo6Te6 이종구조 등의 평면 및 단면 STEM 이미지를 나타낸다.
도 4는, 온도에 따라 합성된 물질들의 SEM 이미지 및 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 5는, 온도에 따라 합성된 물질들의 라만맵을 나타낸다.
도 6은, 온도 및 시간에 따라 합성된 물질들의 광학 이미지 및 라만 스펙트럼을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 낮은 텔루륨 유량 조건에서 형성된 물질은 Mo6Te6로서 와이어 네트워크 구조가 관찰된다. 높은 텔루륨 유량 조건에서 형성된 물질은 MoTe2로서 2차원의 구조 및 그 구조가 5.6 nm인 것이 관찰된다. 중간 텔루륨 유량 조건에서 형성된 물질은 1D Mo6Te6/2H MoTe2 이종 구조로서 두 물질은 동평면에 형성된 것이 관찰된다.
도 3을 참조하면, 1D Mo6Te6, 소수층 2H MoTe2, 1D-2D Mo6Te6-MoTe2 이종구조 등의 각 기하학적 구조를 전자현미경 상을 통해 직접 관찰할 수 있다.
도 4를 참조하면, 온도가 증가함에 따라 텔루륨 유량이 증가하고, 그에 따라 라만 스펙트럼이 변화함을 관찰 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 온도에 따라 합성되는 물질의 선택성을 뚜렷하게 관찰 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 비교예 1은 광학적 및 분광학적으로 단일한 구조가 관찰되었지만, 실시예 1 및 비교예 4는 광학적 및 분광학적으로 2개의 구조가 관찰되었다. 또한, 비교예 4는 라만 스펙트럼 상 2H-1T' MoTe2가 관찰되었지만, 실시예 1은 1D-2D Mo6Te6/2H MoTe2 이종 구조가 관찰되었다.
비교예 2 및 비교예 5은 광학적 및 분광학적으로 단일한 구조가 관찰되었지만, 실시예 2는 광학적 및 분광학적으로 2개의 구조가 관찰되었고, 라만 스펙트럼 상 1D-2D Mo6Te6/2H MoTe2 이종 구조가 관찰되었다.
비교예 3 및 비교예 6은 광학적 및 분광학적으로 단일한 구조가 관찰되었지만, 실시예 3은 광학적 및 분광학적으로 2개의 구조가 관찰되었고, 라만 스펙트럼 상 1D-2D Mo6Te6/2H MoTe2 이종 구조가 관찰되었다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (15)
- 화학기상증착(CVD) 챔버 내에 기판, 몰리브덴(Mo) 전구체 및 텔루륨(Te) 전구체를 배치하는 제1 단계;
운송가스를 이용하여 몰리브덴 원자에 대한 텔루륨 원자의 비율이 제1 비율이 되도록 몰리브덴 전구체 증기 및 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 선형 Mo6Te6 네트워크를 형성하는 제2 단계; 및
상기 운송가스를 이용하여 상기 몰리브덴 원자에 대한 상기 텔루륨 원자의 비율이 상기 제1 비율보다 큰 제2 비율이 되도록 상기 몰리브덴 전구체 증기 및 상기 텔루륨 전구체 증기를 상기 기판 상에 도입하여 상기 선형 Mo6Te6 네트워크의 일부로부터 MoTe2 박막을 성장시키는 제3 단계;를 포함하는,
혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 비율은 0.5 내지 1.5이고,
상기 제2 비율은 2 내지 3인 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 챔버는 상기 텔루륨 전구체가 위치하는 제1 히팅존 및 상기 몰리브덴 전구체가 위치하고 상기 제1 히팅존과 독립적으로 온도가 제어될 수 있는 제2 히팅존을 포함하고,
상기 제1 히팅존과 상기 제2 히팅존의 온도를 제1 온도 조절 장치 및 제2 온도 조절 장치를 이용하여 각각 독립적으로 제어함으로써 상기 제1 및 제2 비율이 조절되는 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 텔루륨 전구체는 텔루륨 금속을 포함하고,
상기 몰리브덴 전구체는 삼산화몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법. - 제4항에 있어서,
상기 제2 히팅존 내에서 상기 기판의 양측에 인접하게 배치된 제1 결정 성장 유도체 및 제2 결정 성장 유도체가 추가로 배치되고,
상기 제1 및 제2 결정 성장 유도체 각각은 지지체 및 상기 지지체 상에 도포된 삼산화몰리브덴을 포함하는 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법. - 제5항에 있어서,
상기 제2 단계 동안 상기 제1 히팅존은 45 내지 55℃의 온도로 가열되고,
상기 제3 단계 동안 상기 제1 히팅존은 460 내지 470℃의 온도로 가열되며,
상기 제2 및 제3 단계 동안 상기 제2 히팅존은 670 내지 690℃의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 제2 단계 동안 상기 제1 히팅존이 45 내지 55℃의 온도로 가열되는 시간은 3 내지 10분이고,
상기 제3 단계 동안 상기 제1 히팅존이 460 내지 470℃의 온도로 가열되는 시간은 30 내지 90분이고,
상기 제2 및 제3 단계 동안 상기 제2 히팅존이 670 내지 690℃의 온도로 가열되는 시간은 40 내지 90분인 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법. - 반도체 특성을 갖는 MoTe2 박막; 및
상기 MoTe2 박막의 측면에 접합되고, 전도성 특성을 갖는 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물;을 포함하는,
혼합 차원 이종구조 물질. - 제8항에 있어서,
상기 MoTe2 박막은 MoTe2층이 1 내지 10 분자층으로 적층된 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질. - 제9항에 있어서,
상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물을 구성하는 Mo6Te6 와이어의 직경은 3 내지 8 nm인 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질. - 제10항에 있어서,
상기 MoTe2 박막의 두께와 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물의 두께의 차이는 0.7 내지 1.5 nm인 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질. - 제11항에 있어서,
상기 MoTe2 박막을 둘러싸도록 상기 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물이 형성된 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질. - 제12항에 있어서,
상기 MoTe2 박막은 MoTe2 원형 박막인 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질. - 제13항에 있어서,
상기 MoTe2 원형 박막의 지름은 2 내지 16 μm인 것을 특징으로 하는,
혼합 차원 이종구조 물질. - 반도체 특성을 갖는 MoTe2 박막;
상기 MoTe2 박막의 일측면에 접합된 전도성 특성을 갖는 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물;
상기 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물과 이격되어 상기 MoTe2 박막의 타측면에 형성된 전도성 특성을 갖는 제2 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물;
상기 제1 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물에 연결된 소스 전극;
상기 제2 Mo6Te6 선형 네트워크 구조물에 연결된 드레인 전극; 및
상기 MoTe2 박막의 전도도를 조절하는 게이트 전극;을 포함하는,
트랜지스터.
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| KR1020210107875A KR102626060B1 (ko) | 2021-08-17 | 2021-08-17 | 화학기상증착을 통한 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질의 제조 방법, 이에 의해 제조된 몰리브덴-텔루륨 혼합 차원 이종구조 물질 및 이를 포함하는 트랜지스터 |
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- 2021-08-17 KR KR1020210107875A patent/KR102626060B1/ko active IP Right Grant
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|---|
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102626060B1 (ko) | 2024-01-16 |
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