KR20230052658A - Two-dimensional material based phototransistor and method of manufacturing two-dimensional material based phototransistor - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a two-dimensional material-based phototransistor which can improve the photoelectric efficiency of a phototransistor. The two-dimensional material-based phototransistor comprises: a gate layer; a channel layer formed on the gate layer, and including a two-dimensional material having a two-dimensional crystal structure; a source layer formed on the channel layer; a drain layer formed on the channel layer; a dielectric layer formed on the channel layer, and arranged between the source layer and the drain layer; and a floating gate arranged in the dielectric layer, and doped with a quantum dot. The dielectric layer has a capacitor effect in accordance with the quantum dot doped in the floating gate. The channel layer has a diode property by controlling the Fermi level in accordance with the capacitor effect of the dielectric layer.

Description

이차원물질 기반 광트랜지스터 및 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법{TWO-DIMENSIONAL MATERIAL BASED PHOTOTRANSISTOR AND METHOD OF MANUFACTURING TWO-DIMENSIONAL MATERIAL BASED PHOTOTRANSISTOR}Two-dimensional material-based phototransistor and manufacturing method of two-dimensional material-based phototransistor

본 발명은 광트랜지스터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 이차원물질에 기반하여 다이오트 특성을 가지는 광트랜지스터 및 상기 광트랜지스터의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a phototransistor, and more particularly, to a phototransistor having diode characteristics based on a single two-dimensional material and a method for manufacturing the phototransistor.

광전소자는 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하는 소자 및 광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자를 통칭한다.Photoelectric devices collectively refer to devices that convert electrical energy into optical energy and devices that convert optical energy into electrical energy.

전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하는 소자로는 LED(light emitting diode), LD(laser diode)와 같은 발광소자(light emitting device)가 있다. 발광소자에 소정의 전기적 신호가 입력되면, 발광층에서 전자와 전공이 결합하면서 빛이 발생할 수 있다.An element that converts electrical energy into optical energy includes a light emitting device such as a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD). When a predetermined electrical signal is input to the light emitting element, light may be generated as electrons and holes are combined in the light emitting layer.

광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자로는 태양전지, 포토다이오드(photodiode)와 같은 광발전소자(photovoltaic device)가 있다. 광발전소자에 소정의 빛이 조사되면, 광활성층에서 전자와 정공이 분리되면서 전기적 에너지가 발생할 수 있다.Devices that convert optical energy into electrical energy include photovoltaic devices such as solar cells and photodiodes. When predetermined light is irradiated to the photovoltaic device, electrical energy may be generated while electrons and holes are separated in the photoactive layer.

최근 이차원물질인 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)는 우수한 물성과 전기적 특성으로 인하여 다양한 전자 소자 및 광전소자로의 응용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.Recently, transition metal dichalcogenide (TMDC), a two-dimensional material, has been actively researched for application to various electronic devices and photoelectric devices due to its excellent physical and electrical properties.

고효율의 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자를 위하여 광전류 생성 및 전하 균형을 최적화가 필요하다.Optimization of photocurrent generation and charge balance is required for high-efficiency transition metal dichalcogenide-based optoelectronic devices.

또한, 고효율의 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자를 위하여 낮은 암전류를 생성하기 위하여 이상적인 전하 고갈 조건이 필요하다.In addition, an ideal charge depletion condition is required to generate a low dark current for a high-efficiency transition metal dichalcogenide-based optoelectronic device.

그러나, 단일 전이금속 디칼코게나이드의 광전류 생성은 높은 엑시톤(exciton) 결합에너지(~0.897eV)로 인해 엑시톤을 분할하기에 충분한 에너지가 없기 때문에 제한적이다.However, photocurrent generation of single transition metal dichalcogenides is limited because there is not enough energy to split an exciton due to the high exciton binding energy (~0.897 eV).

이러한 문제를 해결하기 위하여, 단일 전이금속 디칼코게나이드 채널층을 사용하되, 유전체층의 구조를 변형하거나, 상부 전극과 하부 전극의 구조를 변형하여 측면 p-n 접합(lateral p-n junction)을 통해 다이오드 특성을 구현하는 기술이 연구되었다.In order to solve this problem, a single transition metal dichalcogenide channel layer is used, but the structure of the dielectric layer is modified or the structure of the upper and lower electrodes is modified to realize diode characteristics through a lateral p-n junction. technology has been studied.

한국공개특허 제10-2016-0137298호, "금속-이차원 물질-반도체의 접합을 포함하는 반도체 소자"Korean Patent Publication No. 10-2016-0137298, "Semiconductor device including junction of metal-two-dimensional material-semiconductor" 한국공개특허 제10-2019-0137418호, "근적외선 광 센서 및 이를 포함하는 카메라"Korean Patent Publication No. 10-2019-0137418, "Near-infrared light sensor and camera including the same"

본 발명의 일 목적은 단일 이차원물질 채널층을 사용하여 p-n 접합과 동일한 다이오드 특성을 구현한 이차원물질 기반 광트랜지스터를 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a two-dimensional material-based phototransistor that implements the same diode characteristics as a p-n junction by using a single two-dimensional material channel layer.

본 발명의 다른 목적은 단일 이차원물질 채널층을 사용하여 p-n 접합과 동일한 다이오드 특성을 구현한 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a phototransistor based on a two-dimensional material that realizes the same diode characteristics as a p-n junction by using a single two-dimensional material channel layer.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, and may be expanded in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention.

본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터는 게이트층, 상기 게이트층 상에 형성되고, 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층, 상기 채널층 상에 형성된 소스층, 상기 채널층 상에 형성된 드레인층, 상기 채널층 상에 형성되고, 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층, 및 상기 유전체층 내부에 배치되고, 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 포함할 수 있다. 상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가지고, 상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가질 수 있다.In order to achieve one object of the present invention, a phototransistor based on a two-dimensional material according to embodiments of the present invention includes a gate layer, a two-dimensional material formed on the gate layer and having a two-dimensional (2-Dimensional) crystal structure. A channel layer, a source layer formed on the channel layer, a drain layer formed on the channel layer, a dielectric layer formed on the channel layer and disposed between the source layer and the drain layer, and disposed inside the dielectric layer, It may include a floating gate doped with quantum dots. The dielectric layer may have a capacitor effect according to the quantum dots doped inside the floating gate, and the channel layer may have diode characteristics as a Fermi level is controlled based on the capacitor effect of the dielectric layer.

일 실시예에서, 상기 유전체층은 상기 채널층 상에 유전물질이 전사되고, 상기 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점이 상기 유전물질 상에 도핑되고, 상기 유전물질이 상기 양자점 상에 다시 전사되는 공정을 통해 형성될 수 있다.In one embodiment, in the dielectric layer, a dielectric material is transferred on the channel layer, a pattern for preventing the quantum dots from contacting an electrode is formed, the quantum dots are doped on the dielectric material, and the dielectric material is It may be formed through a process of transferring back onto the quantum dots.

일 실시예에서, 상기 채널층의 상기 이차원물질은 단일 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide)로 구성될 수 있다.In one embodiment, the two-dimensional material of the channel layer may be composed of a single transition metal dichalcogenide.

일 실시예에서, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2 중 어느 하나일 수 있다.In one embodiment, the transition metal dichalcogenide is MoS 2 , WS 2 , TaS 2 , HfS 2 , ReS 2 , TiS 2 , NbS 2 , SnS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , TaSe 2 , HfSe 2 , ReSe 2 , TiSe 2 , NbSe 2 , SnSe 2 , MoTe 2 , WTe 2 , TaTe 2 , HfTe 2 , ReTe 2 , TiTe 2 , NbTe 2 , and SnTe 2 .

일 실시예에서, 상기 유전체층은 육방정계 질화붕소(h-BN)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the dielectric layer may include hexagonal boron nitride (h-BN).

일 실시예에서, 상기 양자점은 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, I-Ⅲ-VI족 반도체 화합물, 및 IV-VI족 반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the quantum dot may include at least one of a Group II-VI semiconductor compound, a Group III-V semiconductor compound, a Group I-III-VI semiconductor compound, and a Group IV-VI semiconductor compound.

일 실시예에서, 상기 채널층이 제1 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고, 상기 소스층이 제2 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고, 상기 드레인층이 제3 전이금속 디칼코게나이드로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고, 상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성할 수 있다.In one embodiment, the channel layer may be formed of a first transition metal dichalcogenide, the source layer may be formed of a second transition metal dichalcogenide, and the drain layer may be formed of a third transition metal dichalcogenide. there is. Here, the drain layer and the channel layer may form a p-n junction, and the channel layer and the source layer may form an n-n junction.

일 실시예에서, 상기 게이트층은 복수의 게이트 전극을 포함할 수 있다. 이차원물질 기반 광트랜지스터는 상기 복수의 게이트 전극에 별개의 게이트 전압이 인가됨으로써, 국부적인 영역에서 다이오드 특성을 가질 수 있다.In one embodiment, the gate layer may include a plurality of gate electrodes. The two-dimensional material-based phototransistor may have diode characteristics in a local area by applying separate gate voltages to the plurality of gate electrodes.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법은 게이트층을 형성하는 단계, 상기 게이트층 상에 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층을 형성하는 단계, 상기 채널층 상에 소스층을 형성하는 단계, 상기 채널층 상에 드레인층을 형성하는 단계, 상기 채널층 상에 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층을 형성하는 단계, 및 상기 유전체층 내부에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 유전체층을 형성하는 단계 및 상기 플로팅 게이트를 형성하는 단계는 상기 채널층 상에 유전물질을 전사하고, 상기 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴을 형성하고, 상기 양자점을 상기 유전물질 상에 도핑하고, 상기 유전물질을 상기 양자점 상에 다시 전사할 수 있다.In order to achieve another object of the present invention, a method for manufacturing a phototransistor based on a two-dimensional material according to embodiments of the present invention includes forming a gate layer and having a two-dimensional (2-Dimensional) crystal structure on the gate layer. Forming a channel layer including a material, forming a source layer on the channel layer, forming a drain layer on the channel layer, disposed on the channel layer between the source layer and the drain layer The method may include forming a dielectric layer, and forming a floating gate doped with quantum dots inside the dielectric layer. The forming of the dielectric layer and the forming of the floating gate may include transferring a dielectric material on the channel layer, forming a pattern to prevent the quantum dots from contacting an electrode, and placing the quantum dots on the dielectric material. After doping, the dielectric material may be transferred onto the quantum dots again.

일 실시예에서, 상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가지고, 상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가질 수 있다.In one embodiment, the dielectric layer has a capacitor effect according to the quantum dots doped inside the floating gate, and the channel layer has a diode characteristic as a Fermi level is controlled based on the capacitor effect of the dielectric layer. can

본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터 및 이의 제조 방법은 단일 이차원물질 채널층 상에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 둘러싸는 유전체층이 형성되고, 유전체층이 커패시터 효과를 가지게 됨으로써, p-n 접합과 동일한 다이오드 특성을 구현할 수 있다.In the two-dimensional material-based phototransistor and manufacturing method thereof according to embodiments of the present invention, a dielectric layer surrounding a floating gate doped with quantum dots is formed on a single two-dimensional material channel layer, and the dielectric layer has a capacitor effect, thereby forming a p-n junction and The same diode characteristics can be implemented.

이차원물질 기반 광트랜지스터 및 이의 제조 방법은 발광 특성 및 흡광 특성이 뛰어난 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 포함함으로써, 광트랜지스터의 광전 효율이 향상될 수 있다. A phototransistor based on a two-dimensional material and a manufacturing method thereof include a floating gate doped with quantum dots having excellent light-emitting and light-absorbing characteristics, so that the photoelectric efficiency of the phototransistor can be improved.

또한, 이차원물질 기반 광트랜지스터 및 이의 제조 방법은 유전체 상에 다양한 패턴으로 양자점을 도핑할 수 있으므로, 다양한 형태의 광전소자에 적용 가능할 수 있다.In addition, since the two-dimensional material-based phototransistor and its manufacturing method can dope quantum dots in various patterns on dielectrics, they can be applied to various types of optoelectronic devices.

다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and may be variously extended within a range that does not deviate from the spirit and scope of the present invention.

도 1은 이차원물질 기반 광트랜지스터의 기본 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터를 나타내는 광학 이미지이다.
도 4는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터의 다이오드 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.1 is a diagram showing the basic structure of a two-dimensional material-based phototransistor.
2 is a diagram showing the structure of a two-dimensional material-based phototransistor according to embodiments of the present invention.
FIG. 3 is an optical image showing the two-dimensional material-based phototransistor of FIG. 2 .
FIG. 4 is a graph showing current change characteristics according to gate voltage of the two-dimensional material-based phototransistor of FIG. 2 .
FIG. 5 is a graph showing diode characteristics of the two-dimensional material-based phototransistor of FIG. 2 .
6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a phototransistor based on a two-dimensional material according to embodiments of the present invention.

본 명세서에 개시된 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The embodiments disclosed in this specification and the terms used therein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutes of the embodiments.

하기에서 다양한 실시예들을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of various embodiments, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the invention, the detailed description will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 다양한 실시예들에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in various embodiments, and may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.In connection with the description of the drawings, like reference numerals may be used for like elements.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.

본 문서에서, "A 또는 B" 또는 "A 및/또는 B 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다.In this document, expressions such as "A or B" or "at least one of A and/or B" may include all possible combinations of the items listed together.

"제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째," 등의 표현들은 해당 구성요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.Expressions such as "first," "second," "first," or "second," may modify the corresponding components regardless of order or importance, and are used to distinguish one component from another. It is used only and does not limit the corresponding components.

어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다.When a (e.g., first) component is referred to as being "(functionally or communicatively) connected" or "connected" to another (e.g., second) component, a component refers to said other component. It may be directly connected to the element or connected through another component (eg, a third component).

본 명세서에서, "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, 하드웨어적 또는 소프트웨어적으로 "~에 적합한," "~하는 능력을 가지는," "~하도록 변경된," "~하도록 만들어진," "~를 할 수 있는," 또는 "~하도록 설계된"과 상호 호환적으로(interchangeably) 사용될 수 있다.In this specification, "configured to (or configured to)" means "suitable for," "having the ability to," "changed to" depending on the situation, for example, hardware or software ," can be used interchangeably with "made to," "capable of," or "designed to."

어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.In some contexts, the expression "device configured to" can mean that the device is "capable of" in conjunction with other devices or components.

예를 들면, 문구 "A, B, 및 C를 수행하도록 구성된(또는 설정된) 프로세서"는 해당 동작을 수행하기 위한 전용 프로세서(예: 임베디드 프로세서), 또는 메모리 장치에 저장된 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들을 실행함으로써, 해당 동작들을 수행할 수 있는 범용 프로세서(예: CPU 또는 application processor)를 의미할 수 있다.For example, the phrase "a processor configured (or configured) to perform A, B, and C" may include a dedicated processor (eg, embedded processor) to perform the operation, or by executing one or more software programs stored in a memory device. , may mean a general-purpose processor (eg, CPU or application processor) capable of performing corresponding operations.

또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다.Also, the term 'or' means 'inclusive or' rather than 'exclusive or'.

즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.That is, unless otherwise stated or clear from the context, the expression 'x employs a or b' means any one of the natural inclusive permutations.

상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다.In the specific embodiments described above, components included in the invention are expressed in singular or plural numbers depending on the specific embodiments presented.

그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.However, the singular or plural expressions are selected appropriately for the presented situation for convenience of explanation, and the above-described embodiments are not limited to singular or plural components, and even components expressed in plural are composed of a singular number or , Even components expressed in the singular can be composed of plural.

한편, 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.Meanwhile, although specific embodiments have been described in the description of the invention, various modifications are possible without departing from the scope of the technical idea contained in the various embodiments.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by not only the claims to be described later, but also those equivalent to these claims.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 기본 구조를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram showing the basic structure of a phototransistor 10 based on a two-dimensional material.

도 1을 참조하면, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 기본 구조는 게이트층(100), 채널층(200), 소스층(300), 및 드레인층(400)으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 게이트층(100)은 SiO2를 포함하고, 기판 상에 형성될 수 있다. 채널층(200)은 게이트층(100) 상에 형성되고, 이차원물질(예컨대, WSe2)을 포함할 수 있다. 소스층(300)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 드레인층(400)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 도 1에서 보듯이, 소스층(300)과 드레인층(400) 사이에는 일정한 간격이 있을 수 있다.Referring to FIG. 1 , the basic structure of the two-dimensional material-based phototransistor 10 may include a gate layer 100 , a channel layer 200 , a source layer 300 , and a drain layer 400 . For example, the gate layer 100 includes SiO2 and may be formed on a substrate. The channel layer 200 is formed on the gate layer 100 and may include a two-dimensional material (eg, WSe2). The source layer 300 may be formed on the channel layer 200 . The drain layer 400 may be formed on the channel layer 200 . As shown in FIG. 1 , there may be a constant gap between the source layer 300 and the drain layer 400 .

채널층(200)에 포함된 이차원물질은 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide, TMDC)일 수 있다. 이차원물질인 전이금속 디칼코게나이드는 우수한 물성과 전기적 특성으로 인하여 다양한 전자소자 및 광전소자에 사용될 수 있다.The two-dimensional material included in the channel layer 200 may be transition metal dichalcogenide (TMDC). Transition metal dichalcogenides, which are two-dimensional materials, can be used in various electronic and optoelectronic devices due to their excellent physical and electrical properties.

전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자는 높은 광효율을 갖기 위하여 광전류 생성 및 전하 균형이 최적화될 필요가 있다. 또한, 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자는 낮은 암전류를 생성하기 위하여 이상적인 전하 고갈 조건을 만족할 필요가 있다. Transition metal dichalcogenide-based optoelectronic devices need to optimize photocurrent generation and charge balance in order to have high light efficiency. In addition, transition metal dichalcogenide-based optoelectronic devices need to satisfy ideal charge depletion conditions in order to generate low dark current.

그러나, 단일 전이금속 디칼코게나이드의 경우, 높은 엑시톤(exciton) 결합에너지(~0.897eV)로 인해 광전류 생성이 어렵고, 단일 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자의 구현 난이도가 높다는 문제가 있다.However, in the case of a single transition metal dichalcogenide, photocurrent generation is difficult due to high exciton binding energy (~0.897 eV), and the difficulty of implementing a photoelectric device based on a single transition metal dichalcogenide is high.

본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 단일 이차원물질 채널층(200) 상에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 둘러싸는 유전체층(500)이 형성되고, 유전체층(500)이 커패시터 효과를 가지게 됨으로써, p-n 접합과 동일한 다이오드 특성을 구현할 수 있다. In the two-dimensional material-based phototransistor 10 according to embodiments of the present invention, a dielectric layer 500 surrounding a floating gate 600 doped with quantum dots is formed on a single two-dimensional material channel layer 200, and the dielectric layer 500 ) has a capacitor effect, so that the same diode characteristics as those of the p-n junction can be implemented.

따라서, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)를 적용하면, 단일 전이금속 디칼코게나이드 기반의 광전소자 구현이 가능할 수 있다. 이하, 도 2 내지 도 6을 통해, 단일 전이금속 디칼코게나이드를 이용하여 다이오드 특성을 구현한 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)를 설명한다.Therefore, if the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention is applied, it is possible to implement a photoelectric device based on a single transition metal dichalcogenide. Hereinafter, the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention, in which diode characteristics are implemented using a single transition metal dichalcogenide, will be described with reference to FIGS. 2 to 6 .

도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 구조를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)를 나타내는 광학 이미지이다.FIG. 2 is a diagram illustrating the structure of a two-dimensional material-based phototransistor 10 according to embodiments of the present invention, and FIG. 3 is an optical image illustrating the two-dimensional material-based phototransistor 10 of FIG. 2 .

도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 게이트층(100), 채널층(200), 소스층(300), 및 드레인층(400)을 포함하는 도 1의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 기본 구조에서, 유전체층(500), 및 플로팅 게이트(600)를 더 포함할 수 있다. 2 and 3, the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention is shown in FIG. 1 including a gate layer 100, a channel layer 200, a source layer 300, and a drain layer 400. The basic structure of the two-dimensional material-based phototransistor 10 may further include a dielectric layer 500 and a floating gate 600 .

구체적으로, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 게이트층(100), 게이트층(100) 상에 형성되고, 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층(200), 채널층(200) 상에 형성된 소스층(300), 채널층(200) 상에 형성된 드레인층(400), 채널층(200) 상에 형성되고, 소스층(300) 및 드레인층(400) 사이에 배치되는 유전체층(500), 및 유전체층(500) 내부에 배치되고, 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 포함할 수 있다.Specifically, the two-dimensional material-based phototransistor 10 includes a gate layer 100, a channel layer 200 formed on the gate layer 100 and including a two-dimensional material having a 2-dimensional crystal structure, a channel A source layer 300 formed on the layer 200, a drain layer 400 formed on the channel layer 200, and formed on the channel layer 200, between the source layer 300 and the drain layer 400 It may include a dielectric layer 500 disposed inside the dielectric layer 500 and a floating gate 600 doped with quantum dots.

게이트층(100)은 기판 상에 형성될 수 있다. 게이트층(100)은 SiO2를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 게이트층(100)의 소재는 이에 한정되지 않으며, 게이트층(100)은 다양한 물질을 포함할 수 있다. 게이트층(100)은 게이트 전압이 입력될 수 있다.The gate layer 100 may be formed on a substrate. The gate layer 100 may include SiO 2 . However, the material of the gate layer 100 of the present invention is not limited thereto, and the gate layer 100 may include various materials. A gate voltage may be input to the gate layer 100 .

채널층(200)은 게이트층(100) 상에 형성될 수 있다. 채널층(200)은 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함할 수 있다. 상기 이차원물질은 단일 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide)로 구성될 수 있다.The channel layer 200 may be formed on the gate layer 100 . The channel layer 200 may include a 2-dimensional material having a 2-Dimensional crystal structure. The two-dimensional material may be composed of a single transition metal dichalcogenide.

예를 들어, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2 중 어느 하나일 수 있다.For example, the transition metal dichalcogenide is MoS 2 , WS 2 , TaS 2 , HfS 2 , ReS 2 , TiS 2 , NbS 2 , SnS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , TaSe 2 , HfSe 2 , ReSe 2 , TiSe 2 , NbSe 2 , SnSe 2 , MoTe 2 , WTe 2 , TaTe 2 , HfTe 2 , ReTe 2 , TiTe 2 , NbTe 2 , and SnTe 2 may be any one.

도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 채널층(200)이 WSe2로 구성되는 것으로 예시되었다.In the two-dimensional material-based phototransistor 10 of FIG. 2 , the channel layer 200 is made of WSe 2 .

소스층(300)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 소스층(300)은 Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, IZO(Indium Zinc Oxide), 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The source layer 300 may be formed on the channel layer 200 . The source layer 300 may include at least one of Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, indium zinc oxide (IZO), and indium tin oxide (ITO).

예를 들어, 소스층(300)은 Pb로 구성될 수 있다. 소스층(300)은 채널층(200) 상에서 드레인층(400)과 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.For example, the source layer 300 may be composed of Pb. The source layer 300 may be disposed on the channel layer 200 at regular intervals from the drain layer 400 .

드레인층(400)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 드레인층(400)은 Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, IZO(Indium Zinc Oxide), 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. The drain layer 400 may be formed on the channel layer 200 . The drain layer 400 may include at least one of Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, indium zinc oxide (IZO), and indium tin oxide (ITO).

예를 들어, 드레인층(400)은 Pb로 구성될 수 있다. 드레인층(400)은 채널층(200) 상에서 소스층(300)과 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.For example, the drain layer 400 may be made of Pb. The drain layer 400 may be disposed on the channel layer 200 at regular intervals from the source layer 300 .

유전체층(500)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 유전체층(500)은 소스층(300) 및 드레인층(400) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 유전체층(500)은 육방정계 질화붕소(h-BN)를 포함할 수 있다.The dielectric layer 500 may be formed on the channel layer 200 . The dielectric layer 500 may be disposed between the source layer 300 and the drain layer 400 . For example, the dielectric layer 500 may include hexagonal boron nitride (h-BN).

일 실시예에서, 유전체층(500)은 채널층(200) 상에 유전물질이 전사되고, 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점이 상기 유전물질 상에 도핑되고, 상기 유전물질이 상기 양자점 상에 다시 전사되는 공정을 통해 형성될 수 있다.In one embodiment, in the dielectric layer 500, a dielectric material is transferred onto the channel layer 200, a pattern for preventing quantum dots from contacting an electrode is formed, the quantum dots are doped on the dielectric material, and the A dielectric material may be formed through a process in which a dielectric material is transferred onto the quantum dots again.

플로팅 게이트(600)는 유전체층(500) 내부에 배치될 수 있다. 플로팅 게이트(600)는 양자점이 도핑된 형태일 수 있다.The floating gate 600 may be disposed inside the dielectric layer 500 . The floating gate 600 may be doped with quantum dots.

상기 양자점은 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, I-Ⅲ-VI족 반도체 화합물, 및 IV-VI족 반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The quantum dot may include at least one of a Group II-VI semiconductor compound, a Group III-V semiconductor compound, a Group I-III-VI semiconductor compound, and a Group IV-VI semiconductor compound.

예를 들어, 상기 양자점은 황화납(PbS), 셀레늄화납(PbSe), 셀레늄화카드뮴(CdSe), 황화카드뮴(CdS), 텔루륨화카드뮴(CdTe), 비소화인듐(InAs), 및 인화인듐(InP) 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 다만, 상기 물질들은 상기 양자점의 일 예시일 뿐, 본 발명의 양자점의 물질 종류를 한정하는 것은 아니다.For example, the quantum dots include lead sulfide (PbS), lead selenide (PbSe), cadmium selenide (CdSe), cadmium sulfide (CdS), cadmium telluride (CdTe), indium arsenide (InAs), and indium phosphide ( InP) may be any one or a mixture thereof. However, the above materials are only examples of the quantum dot, and do not limit the material type of the quantum dot of the present invention.

유전체층(500) 및 플로팅 게이트(600)는, 채널층(200) 상에 육방정계 질화붕소(h-BN)가 전사되고, 육방정계 질화붕소(h-BN) 상에 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점(예컨대, InP)이 육방정계 질화붕소(h-BN) 상에 도핑되고, 육방정계 질화붕소(h-BN)가 상기 양자점 상에 다시 전사됨으로써 형성될 수 있다.The dielectric layer 500 and the floating gate 600 prevent hexagonal boron nitride (h-BN) transfer on the channel layer 200 and contact of quantum dots on the hexagonal boron nitride (h-BN) with an electrode. A pattern for preventing is formed, the quantum dot (eg, InP) is doped on the hexagonal boron nitride (h-BN), and the hexagonal boron nitride (h-BN) may be formed by transferring the quantum dot again. there is.

유전체층(500)은 플로팅 게이트(600) 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가질 수 있다. The dielectric layer 500 may have a capacitor effect according to the quantum dots doped inside the floating gate 600 .

예를 들어, 육방정계 질화붕소(h-BN)로 구성된 유전체층(500)의 내부에는 상기 양자점과 전극의 접촉을 방지하여 양자점의 캐리어가 전극을 통해 전류를 발생시키지 않도록 하는 특정 모양의 패턴이 형성되어 있으므로, 상기 양자점을 둘러싸는 육방정계 질화붕소(h-BN)는 커패시터와 같이 동작하여 전기장을 형성할 수 있다.For example, inside the dielectric layer 500 composed of hexagonal boron nitride (h-BN), a pattern having a specific shape is formed to prevent contact between the quantum dots and electrodes so that the carriers of the quantum dots do not generate current through the electrodes. Therefore, the hexagonal boron nitride (h-BN) surrounding the quantum dots can operate like a capacitor to form an electric field.

채널층(200)은 유전체층(500)의 커패시터 효과에 의한 전기장에 기초하여, 페르미 레벨(Fermi level)이 제어될 수 있다. 채널층(200)의 페르미 레벨이 제어됨에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 p-n 접합과 같은 다이오드 특성을 가질 수 있다.A Fermi level of the channel layer 200 may be controlled based on an electric field generated by a capacitor effect of the dielectric layer 500 . As the Fermi level of the channel layer 200 is controlled, the phototransistor 10 based on a two-dimensional material according to the present invention may have diode characteristics such as a p-n junction.

본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 발광 특성 및 흡광 특성이 뛰어난 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 포함하므로, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 광전 효율이 향상될 수 있다. Since the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention includes the floating gate 600 doped with quantum dots having excellent light emission and light absorption characteristics, the photoelectric efficiency of the two-dimensional material-based phototransistor 10 can be improved.

또한, 양자점이 유전체층(500) 상에 다양한 패턴으로 도핑될 수 있으므로, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 다양한 형태의 전자소자 또는 광전소자에 적용 가능할 수 있다.In addition, since quantum dots can be doped on the dielectric layer 500 in various patterns, the phototransistor 10 based on a two-dimensional material according to the present invention can be applied to various types of electronic devices or optoelectronic devices.

도 4는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 나타내는 그래프이고, 도 5는 도 2의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 다이오드 특성을 나타내는 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing current change characteristics according to gate voltage of the two-dimensional material-based phototransistor 10 of FIG. 2 , and FIG. 5 is a graph showing diode characteristics of the two-dimensional material-based phototransistor 10 of FIG. 2 .

도 4를 참조하면, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 게이트-소스 전압(VGS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계가 도시된 그래프를 볼 수 있다. 게이트-소스 전압(VGS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계 그래프는 드레인-소스 전압(VDS)이 0.1V, 0.2V, 0.3V인 경우 각각에 대해 도시되어 있다.Referring to FIG. 4 , a graph showing a relationship between a drain-source current (IDS) and a gate-source voltage (VGS) of the two-dimensional material-based phototransistor 10 can be seen. Graphs of the relationship between the drain-source current (IDS) according to the gate-source voltage (VGS) are shown for each case where the drain-source voltage (VDS) is 0.1V, 0.2V, and 0.3V.

도 4에서 보듯이, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 게이트-소스 전압(VGS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계 그래프는 전형적인 광트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 4, it can be seen that the relationship graph of the drain-source current (IDS) according to the gate-source voltage (VGS) of the two-dimensional material-based phototransistor 10 shows the current change characteristic according to the gate voltage of a typical phototransistor. can

도 5를 참조하면, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 드레인-소스 전압(VDS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계가 도시된 그래프를 볼 수 있다. 드레인-소스 전압(VDS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계 그래프는 게이트-소스 전압(VGS)이 -4V, -3V, -2V, -1V, 0V인 경우 각각에 대해 도시되어 있다.Referring to FIG. 5 , a graph showing a relationship between a drain-source current (IDS) and a drain-source voltage (VDS) of the two-dimensional material-based phototransistor 10 can be seen. A graph of the relationship between the drain-source current (IDS) and the drain-source voltage (VDS) is shown for each case where the gate-source voltage (VGS) is -4V, -3V, -2V, -1V, and 0V.

도 5에서 보듯이, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 드레인-소스 전압(VDS)에 따른 드레인-소스 전류(IDS)의 관계 그래프는 전형적인 광트랜지스터의 다이오드 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5 , it can be seen that the relationship graph of the drain-source current (IDS) according to the drain-source voltage (VDS) of the two-dimensional material-based phototransistor 10 shows typical diode characteristics of the phototransistor.

본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 육방정계 질화붕소(h-BN)로 구성된 유전체층(500)의 내부에 양자점이 도핑됨으로써, 상기 양자점을 둘러싸는 유전체층(500)이 커패시터 효과를 가지고, 전기장을 형성할 수 있다.In the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention, quantum dots are doped into a dielectric layer 500 composed of hexagonal boron nitride (h-BN), so that the dielectric layer 500 surrounding the quantum dots has a capacitor effect, An electric field can be formed.

유전체층(500)의 커패시터 효과에 기초하여 채널층(200)의 페르미 레벨이 제어됨에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 도 4 및 5의 그래프와 같이, 일반적인 광트랜지스터의 게이트 전압에 따른 전류변화 특성을 가지며, p-n 접합과 같은 다이오드 특성을 가질 수 있다.As the Fermi level of the channel layer 200 is controlled based on the capacitor effect of the dielectric layer 500, the phototransistor 10 based on a two-dimensional material according to the present invention has a gate voltage of a typical phototransistor, as shown in the graphs of FIGS. 4 and 5. It has a current change characteristic according to , and may have a diode characteristic like a p-n junction.

도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 제조 방법을 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a phototransistor 10 based on a two-dimensional material according to embodiments of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 게이트층(100)을 형성(S100)하고, 게이트층(100) 상에 이차원 물질을 포함하는 채널층(200)을 형성(S200)하며, 채널층(200) 상에 소스층(300)을 형성(S300)하고, 채널층(200) 상에 드레인층(400)을 형성(S400)하며, 소스층(300) 및 드레인층(400) 사이에 배치되는 유전체층(500)을 형성(S500)하고, 유전체층(500) 내부에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 형성(S600)하는 공정 단계를 통해 제조될 수 있다.Referring to FIG. 6 , in the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention, a gate layer 100 is formed (S100), and a channel layer 200 containing a two-dimensional material is formed on the gate layer 100 (S100). S200), the source layer 300 is formed on the channel layer 200 (S300), the drain layer 400 is formed on the channel layer 200 (S400), and the source layer 300 and the drain layer are formed. It may be manufactured through a process step of forming a dielectric layer 500 disposed between the layers 400 (S500) and forming a floating gate 600 doped with quantum dots inside the dielectric layer 500 (S600).

일 실시예에서, 이차원물질 기반 광트랜지스터 제조 방법은 게이트층(100)을 형성(S100)하는 단계를 포함할 수 있다. 게이트층(100)은 기판 상에 형성될 수 있다. 게이트층(100)은 SiO2를 포함할 수 있다. 게이트층(100)은 게이트 전압이 입력될 수 있다.In one embodiment, a method of fabricating a phototransistor based on a two-dimensional material may include forming a gate layer 100 (S100). The gate layer 100 may be formed on a substrate. The gate layer 100 may include SiO 2 . A gate voltage may be input to the gate layer 100 .

일 실시예에서, 이차원물질 기반 광트랜지스터 제조 방법은 게이트층(100) 상에 이차원 물질을 포함하는 채널층(200)을 형성(S200)하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment, a method of fabricating a phototransistor based on a two-dimensional material may include forming a channel layer 200 including a two-dimensional material on the gate layer 100 (S200).

구체적으로, 채널층(200)은 게이트층(100) 상에 형성될 수 있다. 채널층(200)은 이차원 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함할 수 있다. 상기 이차원물질은 단일 전이금속 디칼코게나이드로 구성될 수 있다.Specifically, the channel layer 200 may be formed on the gate layer 100 . The channel layer 200 may include a two-dimensional material having a two-dimensional crystal structure. The two-dimensional material may be composed of a single transition metal dichalcogenide.

예를 들어, 상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2 중 어느 하나일 수 있다.For example, the transition metal dichalcogenide is MoS 2 , WS 2 , TaS 2 , HfS 2 , ReS 2 , TiS 2 , NbS 2 , SnS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , TaSe 2 , HfSe 2 , ReSe 2 , TiSe 2 , NbSe 2 , SnSe 2 , MoTe 2 , WTe 2 , TaTe 2 , HfTe 2 , ReTe 2 , TiTe 2 , NbTe 2 , and SnTe 2 may be any one.

일 실시예에서, 이차원물질 기반 광트랜지스터 제조 방법은 채널층(200) 상에 소스층(300)을 형성(S300)하고, 채널층(200) 상에 드레인층(400)을 형성(S400)하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment, a method of manufacturing a phototransistor based on a two-dimensional material includes forming a source layer 300 on a channel layer 200 (S300) and forming a drain layer 400 on the channel layer 200 (S400). steps may be included.

소스층(300)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 소스층(300)은 Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, IZO(Indium Zinc Oxide), 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 소스층(300)은 Pb로 구성될 수 있다. 소스층(300)은 채널층(200) 상에서 드레인층(400)과 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.The source layer 300 may be formed on the channel layer 200 . The source layer 300 may include at least one of Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, indium zinc oxide (IZO), and indium tin oxide (ITO). For example, the source layer 300 may be composed of Pb. The source layer 300 may be disposed on the channel layer 200 at regular intervals from the drain layer 400 .

드레인층(400)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 드레인층(400)은 Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, IZO(Indium Zinc Oxide), 및 ITO(Indium Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 드레인층(400)은 Pb로 구성될 수 있다. 드레인층(400)은 채널층(200) 상에서 소스층(300)과 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.The drain layer 400 may be formed on the channel layer 200 . The drain layer 400 may include at least one of Au, Ti, Al, Pb, Ag, Hf, Ta, Cu, Sn, Pd, indium zinc oxide (IZO), and indium tin oxide (ITO). For example, the drain layer 400 may be made of Pb. The drain layer 400 may be disposed on the channel layer 200 at regular intervals from the source layer 300 .

일 실시예에서, 이차원물질 기반 광트랜지스터 제조 방법은 소스층(300) 및 드레인(400)층 사이에 배치되는 유전체층(500)을 형성(S500)하고, 유전체층(500) 내부에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 형성(S600)하는 단계를 포함할 수 있다. In one embodiment, a method of fabricating a phototransistor based on a two-dimensional material includes forming a dielectric layer 500 disposed between a source layer 300 and a drain 400 layer (S500), and floating quantum dots doped inside the dielectric layer 500. A step of forming the gate 600 (S600) may be included.

유전체층(500)은 채널층(200) 상에 형성될 수 있다. 유전체층(500)은 소스층(300) 및 드레인층(400) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 유전체층(500)은 육방정계 질화붕소(h-BN)를 포함할 수 있다.The dielectric layer 500 may be formed on the channel layer 200 . The dielectric layer 500 may be disposed between the source layer 300 and the drain layer 400 . For example, the dielectric layer 500 may include hexagonal boron nitride (h-BN).

플로팅 게이트(600)는 유전체층(500) 내부에 배치될 수 있다. 플로팅 게이트(600)는 양자점이 도핑된 형태일 수 있다.The floating gate 600 may be disposed inside the dielectric layer 500 . The floating gate 600 may be doped with quantum dots.

상기 양자점은 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, I-Ⅲ-VI족 반도체 화합물, 및 IV-VI족 반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The quantum dot may include at least one of a Group II-VI semiconductor compound, a Group III-V semiconductor compound, a Group I-III-VI semiconductor compound, and a Group IV-VI semiconductor compound.

유전체층(500)은 채널층(200) 상에 유전물질이 전사되고, 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점이 상기 유전물질 상에 도핑되고, 상기 유전물질이 상기 양자점 상에 다시 전사되는 공정을 통해 형성될 수 있다.In the dielectric layer 500, a dielectric material is transferred onto the channel layer 200, a pattern for preventing quantum dots from contacting an electrode is formed, the quantum dots are doped on the dielectric material, and the dielectric material is the quantum dots. It can be formed through a process of transferring back onto the surface.

예를 들어, 유전체층(500) 및 플로팅 게이트(600)는, 채널층(200) 상에 육방정계 질화붕소(h-BN)가 전사되고, 육방정계 질화붕소(h-BN) 상에 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점(예컨대, InP)이 육방정계 질화붕소(h-BN) 상에 도핑되고, 육방정계 질화붕소(h-BN)가 상기 양자점 상에 다시 전사됨으로써 형성될 수 있다.For example, in the dielectric layer 500 and the floating gate 600, hexagonal boron nitride (h-BN) is transferred on the channel layer 200, and quantum dots are electrodes on the hexagonal boron nitride (h-BN). A pattern is formed to prevent contact with the quantum dot (eg, InP) is doped on the hexagonal boron nitride (h-BN), and the hexagonal boron nitride (h-BN) is transferred back onto the quantum dot can be formed by

유전체층(500)은 플로팅 게이트(600) 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가질 수 있다. The dielectric layer 500 may have a capacitor effect according to the quantum dots doped inside the floating gate 600 .

예를 들어, 육방정계 질화붕소(h-BN)로 구성된 유전체층(500)의 내부에는 상기 양자점과 전극의 접촉을 방지하여 양자점의 캐리어가 전극을 통해 전류를 발생시키지 않도록 하는 특정 모양의 패턴이 형성되어 있으므로, 상기 양자점을 둘러싸는 육방정계 질화붕소(h-BN)는 커패시터와 같이 동작하여 전기장을 형성할 수 있다.For example, inside the dielectric layer 500 composed of hexagonal boron nitride (h-BN), a pattern having a specific shape is formed to prevent contact between the quantum dots and electrodes so that the carriers of the quantum dots do not generate current through the electrodes. Therefore, the hexagonal boron nitride (h-BN) surrounding the quantum dots can operate like a capacitor to form an electric field.

채널층(200)은 유전체층(500)의 커패시터 효과에 의한 전기장에 기초하여, 페르미 레벨(Fermi level)이 제어될 수 있다. 채널층(200)의 페르미 레벨이 제어됨에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 p-n 접합과 같은 다이오드 특성을 가질 수 있다.A Fermi level of the channel layer 200 may be controlled based on an electric field generated by a capacitor effect of the dielectric layer 500 . As the Fermi level of the channel layer 200 is controlled, the phototransistor 10 based on a two-dimensional material according to the present invention may have diode characteristics such as a p-n junction.

본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 제조 방법에 의하면, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 발광 특성 및 흡광 특성이 뛰어난 양자점이 도핑된 플로팅 게이트(600)를 포함하므로, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 광전 효율이 향상될 수 있다. According to the manufacturing method of the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention, since the two-dimensional material-based phototransistor 10 includes the floating gate 600 doped with quantum dots having excellent light emitting characteristics and light absorption characteristics, Photoelectric efficiency of the transistor 10 may be improved.

또한, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 제조 방법에 의하면, 양자점이 유전체층(500) 상에 다양한 패턴으로 도핑될 수 있으므로, 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 다양한 형태의 전자소자 또는 광전소자에 적용 가능할 수 있다.In addition, according to the manufacturing method of the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention, since quantum dots can be doped on the dielectric layer 500 in various patterns, the two-dimensional material-based phototransistor 10 can be used in various types of electronic devices or It may be applicable to photoelectric devices.

한편, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 단일 전이금속 디칼코게나이드만을 이용한 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)에 한정되지는 않는다.Meanwhile, the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention is not limited to the two-dimensional material-based phototransistor 10 using only a single transition metal dichalcogenide.

실시예에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 전이금속 디칼코게나이드로 구성되는 채널층(200), 전이금속 디칼코게나이드로 구성되는 소스층(300), 및 전이금속 디칼코게나이드로 구성되는 드레인층(400)을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention includes a channel layer 200 composed of transition metal dichalcogenide, a source layer 300 composed of transition metal dichalcogenide, and a transition metal dichalcoge A drain layer 400 made of nide may be included.

예를 들어, 채널층(200)이 제1 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고, 소스층(300)이 제2 전이금속 디칼코게나이드로 형성되며, 드레인층(400)이 제3 전이금속 디칼코게나이드로 형성될 수 있다. For example, the channel layer 200 is formed of a first transition metal dichalcogenide, the source layer 300 is formed of a second transition metal dichalcogenide, and the drain layer 400 is formed of a third transition metal dichalcogenide. It can be formed as a nide.

여기서, 제1 전이금속 디칼코게나이드, 제1 전이금속 디칼코게나이드, 및 제1 전이금속 디칼코게나이드는 각각 다른 물질일 수 있다.Here, the first transition metal dichalcogenide, the first transition metal dichalcogenide, and the first transition metal dichalcogenide may be different materials.

예를 들어, 채널층(200)은 WS2로 형성되며, 드레인층(400)은 WSe2으로 형성되고, 소스층(300)은 MoS2으로 형성될 수 있다.For example, the channel layer 200 may be formed of WS 2 , the drain layer 400 may be formed of WSe 2 , and the source layer 300 may be formed of MoS 2 .

이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 p-WSe2/n-WS2/n-MoS2 구조의 p-n-n 이종접합을 가짐으로써, 다이오드 특성을 구현할 수 있다.The two-dimensional material-based phototransistor 10 has a pnn heterojunction having a p-WSe 2 /n-WS 2 /n-MoS 2 structure, so that diode characteristics can be implemented.

또한, 실시예에 따라, 본 발명의 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)의 게이트층(100)은 복수의 게이트전극을 포함할 수 있다. 이차원물질 기반 광트랜지스터(10)는 상기 복수의 게이트 전극에 별개의 게이트 전압이 인가됨으로써, 국부적인 영역에서도 다이오드 특성을 가질 수 있다.Also, according to embodiments, the gate layer 100 of the two-dimensional material-based phototransistor 10 of the present invention may include a plurality of gate electrodes. The two-dimensional material-based phototransistor 10 may have diode characteristics even in a local area by applying separate gate voltages to the plurality of gate electrodes.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 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.As described above, although the embodiments have been described with limited drawings, those skilled in the art will be able to make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques may be performed in an order different from the method described, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. may be combined or combined in a different form than the method described, or other components may be used. Or even if it is replaced or substituted by equivalents, appropriate results can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.

본 발명은 광트랜지스터 및 광트랜지스터를 포함하는 광발전소자, 광센서, 이미지센서, 광통신 및 태양전지 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명이 적용된 광트랜지스터는 카메라, 스마트폰, CCTV, 인공눈, 리모콘, 광 진단기기 등으로 이용될 수 있다.The present invention can be applied to a phototransistor and a photovoltaic device including the phototransistor, an optical sensor, an image sensor, optical communication, and a solar cell. For example, the phototransistor to which the present invention is applied can be used as a camera, smart phone, CCTV, artificial eye, remote control, optical diagnosis device, and the like.

이상에서는 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to exemplary embodiments of the present invention, those skilled in the art can make various modifications to the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. It will be understood that it can be modified and changed accordingly.

10: 이차원물질 기반 광트랜지스터
100: 게이트층
200: 채널층
300: 소스층
400: 드레인층
500: 유전체층
600: 플로팅 게이트10: two-dimensional material-based phototransistor
100: gate layer
200: channel layer
300: source layer
400: drain layer
500: dielectric layer
600: floating gate

Claims (10)

게이트층;
상기 게이트층 상에 형성되고, 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층;
상기 채널층 상에 형성된 소스층;
상기 채널층 상에 형성된 드레인층;
상기 채널층 상에 형성되고, 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층; 및
상기 유전체층 내부에 배치되고, 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 포함하고,
상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가지고, 상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가지는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터.gate layer;
a channel layer formed on the gate layer and including a two-dimensional material having a two-dimensional (2-Dimensional) crystal structure;
a source layer formed on the channel layer;
a drain layer formed on the channel layer;
a dielectric layer formed on the channel layer and disposed between the source layer and the drain layer; and
A floating gate disposed inside the dielectric layer and doped with quantum dots;
The dielectric layer has a capacitor effect according to the quantum dots doped inside the floating gate, and the channel layer has a diode characteristic as the Fermi level is controlled based on the capacitor effect of the dielectric layer. Characterized in that,
Two-dimensional material-based phototransistor. 제1항에 있어서,
상기 유전체층은,
상기 채널층 상에 유전물질이 전사되고, 상기 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴이 형성되며, 상기 양자점이 상기 유전물질 상에 도핑되고, 상기 유전물질이 상기 양자점 상에 다시 전사되는 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터.According to claim 1,
The dielectric layer,
A process of transferring a dielectric material on the channel layer, forming a pattern to prevent the quantum dots from contacting an electrode, doping the quantum dots on the dielectric material, and transferring the dielectric material onto the quantum dots again. Characterized in that it is formed through,
Two-dimensional material-based phototransistor. 제1항에 있어서,
상기 채널층의 상기 이차원물질은 단일 전이금속 디칼코게나이드(Transition Metal Dichalcogenide)로 구성되는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터.According to claim 1,
Characterized in that the two-dimensional material of the channel layer is composed of a single transition metal dichalcogenide,
Two-dimensional material-based phototransistor. 제3항에 있어서,
상기 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터.According to claim 3,
The transition metal dichalcogenide is MoS 2 , WS 2 , TaS 2 , HfS 2 , ReS 2 , TiS 2 , NbS 2 , SnS 2 , MoSe 2 , WSe 2 , TaSe 2 , HfSe 2 , ReSe 2 , TiSe 2 , NbSe 2 , SnSe 2 , MoTe 2 , WTe 2 , TaTe 2 , HfTe 2 , ReTe 2 , TiTe 2 , NbTe 2 , SnTe 2 Characterized in that any one of,
Two-dimensional material-based phototransistor. 제1항에 있어서,
상기 유전체층은 육방정계 질화붕소(h-BN)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터.According to claim 1,
Characterized in that the dielectric layer comprises hexagonal boron nitride (h-BN),
Two-dimensional material-based phototransistor. 제1항에 있어서,
상기 양자점은 Ⅱ-VI족 반도체 화합물, Ⅲ-V족 반도체 화합물, I-Ⅲ-VI족 반도체 화합물, 및 IV-VI족 반도체 화합물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터.According to claim 1,
The quantum dot is characterized in that it comprises at least one of a group II-VI semiconductor compound, a group III-V semiconductor compound, a group I-III-VI semiconductor compound, and a group IV-VI semiconductor compound,
Two-dimensional material-based phototransistor. 제1항에 있어서,
상기 채널층이 제1 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고,
상기 소스층이 제2 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고,
상기 드레인층이 제3 전이금속 디칼코게나이드로 형성되고,
상기 드레인층과 상기 채널층이 p-n 접합을 형성하고,
상기 채널층과 상기 소스층이 n-n 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터.According to claim 1,
The channel layer is formed of a first transition metal dichalcogenide,
The source layer is formed of a second transition metal dichalcogenide,
The drain layer is formed of a third transition metal dichalcogenide,
The drain layer and the channel layer form a pn junction,
Characterized in that the channel layer and the source layer form an nn junction,
Two-dimensional material-based phototransistor. 제1항에 있어서,
상기 게이트층은 복수의 게이트 전극을 포함하고,
상기 복수의 게이트 전극에 별개의 게이트 전압이 인가됨으로써, 국부적인 영역에서 다이오드 특성을 가지는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터.According to claim 1,
The gate layer includes a plurality of gate electrodes,
Characterized in that it has diode characteristics in a local area by applying a separate gate voltage to the plurality of gate electrodes,
Two-dimensional material-based phototransistor. 게이트층을 형성하는 단계;
상기 게이트층 상에 이차원(2-Dimensional) 결정 구조를 갖는 이차원물질을 포함하는 채널층을 형성하는 단계;
상기 채널층 상에 소스층을 형성하는 단계;
상기 채널층 상에 드레인층을 형성하는 단계;
상기 채널층 상에 상기 소스층 및 상기 드레인층 사이에 배치되는 유전체층을 형성하는 단계; 및
상기 유전체층 내부에 양자점이 도핑된 플로팅 게이트를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 유전체층을 형성하는 단계 및 상기 플로팅 게이트를 형성하는 단계는,
상기 채널층 상에 유전물질을 전사하고, 상기 양자점이 전극과 접촉하는 것을 방지하기 위한 패턴을 형성하고, 상기 양자점을 상기 유전물질 상에 도핑하고, 상기 유전물질을 상기 양자점 상에 다시 전사하는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법.forming a gate layer;
forming a channel layer including a 2-dimensional material having a 2-dimensional crystal structure on the gate layer;
forming a source layer on the channel layer;
forming a drain layer on the channel layer;
forming a dielectric layer disposed between the source layer and the drain layer on the channel layer; and
Forming a floating gate doped with quantum dots inside the dielectric layer,
Forming the dielectric layer and forming the floating gate,
Transferring a dielectric material onto the channel layer, forming a pattern to prevent the quantum dots from contacting an electrode, doping the quantum dots onto the dielectric material, and transferring the dielectric material onto the quantum dots again. characterized by,
Manufacturing method of two-dimensional material-based phototransistor. 제9항에 있어서,
상기 유전체층은 상기 플로팅 게이트 내부에 도핑된 상기 양자점에 따라 커패시터 효과를 가지고, 상기 채널층은 상기 유전체층의 커패시터 효과에 기초하여 페르미 레벨(Fermi level)이 제어됨에 따라 다이오드 특성을 가지는 것을 특징으로 하는,
이차원물질 기반 광트랜지스터의 제조 방법.
According to claim 9,
The dielectric layer has a capacitor effect according to the quantum dots doped inside the floating gate, and the channel layer has a diode characteristic as the Fermi level is controlled based on the capacitor effect of the dielectric layer. Characterized in that,
Manufacturing method of two-dimensional material-based phototransistor.
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