KR20230167652A - Device based on phase changing material - Google Patents

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KR20230167652A
KR20230167652A KR1020220067795A KR20220067795A KR20230167652A KR 20230167652 A KR20230167652 A KR 20230167652A KR 1020220067795 A KR1020220067795 A KR 1020220067795A KR 20220067795 A KR20220067795 A KR 20220067795A KR 20230167652 A KR20230167652 A KR 20230167652A
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phase change
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semiconductor structure
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유경식
박정훈
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한국과학기술원
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Abstract

2차원 상전이 물질 기반 소자가 개시된다. 일 실시예에 따른 2차원 상전이 물질 기반 소자는, 상부 전극; 하부 전극; 및 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에 개재된 채, 전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상 및 준금속성 구조상 사이에서 상변화를 발생시키는 상변화층을 포함할 수 있다.A two-dimensional phase change material-based device is disclosed. A two-dimensional phase change material-based device according to one embodiment includes an upper electrode; lower electrode; and a phase change layer interposed between the upper electrode and the lower electrode, which generates a phase change between the semiconductor structure phase and the metalloid structure phase in response to the application of voltage.

Description

2차원 상전이 물질 기반 소자{DEVICE BASED ON PHASE CHANGING MATERIAL}Device based on two-dimensional phase change material {DEVICE BASED ON PHASE CHANGING MATERIAL}

아래의 실시예들은 2차원 상전이 물질 기반 소자에 관한 기술이다.The examples below are technologies related to two-dimensional phase change material-based devices.

광 변조는 광 신호의 진폭 및 위상을 제어하는 것으로, 광 변조 특성 구현을 위해서는 광 변조 물질의 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n)가 일정 이상 커야 하는 제한을 갖는다.Optical modulation controls the amplitude and phase of an optical signal, and in order to implement optical modulation characteristics, there is a limitation that the real part change (△n) in the refractive index and reflectance of the optical modulation material must be greater than a certain level.

그러나, 종래의 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 기반의 광 변조 물질은 광 변조 특성 구현을 만족시킬 정도로 크지 않은 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n)를 갖기 때문에, 종래의 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge) 기반의 광 변조 물질로 형성되는 광 변조기는 광 변조 특성 구현을 위해 지나치게 크게 제작되는 문제점을 갖는다.However, since conventional silicon (Si) or germanium (Ge)-based light modulation materials have real part changes (△n) in refractive index and reflectance that are not large enough to satisfy the implementation of light modulation characteristics, conventional silicon (Si) Alternatively, a light modulator made of a germanium (Ge)-based light modulation material has the problem of being manufactured too large to implement light modulation characteristics.

이에, GST(Ge2Sb2Te5) 기반의 광 변조 물질이 제안되었으나, 종래의 GST 기반의 광 변조 물질은 적외선 파장 대역의 광 신호에 대해 광 변조 특성 구현을 만족시킬 정도로 큰 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n)를 가질 뿐, 가시광 파장 대역의 광 신호에 대해서는 광 변조 특성 구현을 만족시킬 정도로 크지 않은 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n)를 갖는 단점을 갖는다. 또한, 종래의 GST 기반의 광 변조 물질은 상변화 과정 중 파워 소모가 크며 속도가 느린 단점을 갖는다,Accordingly, a GST (Ge 2 Sb 2 Te 5 )-based light modulation material has been proposed, but the conventional GST-based light modulation material has a refractive index and reflectance large enough to satisfy the implementation of light modulation characteristics for optical signals in the infrared wavelength band. It only has a real part change (△n), but has the disadvantage of having a real part change (△n) in the refractive index and reflectance that is not large enough to satisfy the implementation of optical modulation characteristics for optical signals in the visible light wavelength band. In addition, conventional GST-based light modulation materials have the disadvantage of high power consumption and slow speed during the phase change process.

따라서, 아래의 실시예들은 고속 및 저전력으로 구동 가능하며, 가시광 파장 대역의 광 신호에 대해서 광 변조 특성 구현을 만족시킬 정도로 큰 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n)를 갖는 광 변조 물질을 제안하고자 한다.Therefore, the following embodiments propose a light modulation material that can be driven at high speed and low power and has a real part change (△n) in the refractive index and reflectance large enough to satisfy the implementation of light modulation characteristics for optical signals in the visible wavelength band. I want to do it.

일 실시예들은 고속 및 저전력으로 구동 가능하며, 가시광 파장 대역의 광 신호에 대해서 광 변조 특성 구현을 만족시킬 정도로 큰 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n)를 갖는 상변화층을 광 변조 물질로 사용하는 소자를 제안한다.In one embodiment, a phase change layer that can be driven at high speed and low power and has a real part change (△n) in refractive index and reflectance large enough to satisfy the implementation of optical modulation characteristics for an optical signal in the visible wavelength band is used as an optical modulation material. Suggest the device to be used.

특히, 일 실시예들은 메모리 및 광 변조기로 동시에 사용 가능하도록 전기적 스위칭과 광 변조를 동시에 수행하는 상변화층을 포함하는 소자를 제안한다.In particular, one embodiment proposes a device including a phase change layer that simultaneously performs electrical switching and optical modulation so that it can be used as a memory and an optical modulator at the same time.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 상기 과제로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the above problems, and may be expanded in various ways without departing from the technical spirit and scope of the present invention.

일 실시예에 따르면, 2차원 상전이 물질 기반 소자는, 상부 전극; 하부 전극; 및 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에 개재된 채, 전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상 및 준금속성 구조상 사이에서 상변화를 발생시키는 상변화층을 포함할 수 있다.According to one embodiment, a two-dimensional phase change material-based device includes an upper electrode; lower electrode; and a phase change layer interposed between the upper electrode and the lower electrode, which generates a phase change between the semiconductor structure phase and the metalloid structure phase in response to the application of voltage.

일 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 상기 반도체 구조상 및 상기 준금속성 구조상 각각에서 상이한 전류 값을 갖는 전기적 스위칭과 상기 반도체 구조상 및 상기 준금속성 구조상 각각에서 상이한 광 반사율을 갖는 광 변조를 동시에 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one aspect, the phase change layer simultaneously performs electrical switching with different current values in each of the semiconductor structure and the metalloid structure and optical modulation with different light reflectance in each of the semiconductor structure and the metalloid structure. It can be characterized as:

다른 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 문턱 전압 이상의 값을 갖는 제1 전압이 인가됨에 응답하여 상기 반도체 구조상으로부터 상기 준금속성 구조상으로 상변화를 발생시켜 턴 온되고, 상기 제1 전압과 반대 방향의 제2 전압이 인가됨에 응답하여 상기 준금속성 구조상으로부터 상기 반도체 구조상으로 상변화를 발생시켜 턴 오프되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the phase change layer is turned on by generating a phase change from the semiconductor structure to the quasi-metallic structure in response to the application of a first voltage having a value equal to or higher than the threshold voltage, and is turned on in a direction opposite to the first voltage. In response to the application of the second voltage, a phase change occurs from the semi-metallic structure to the semiconductor structure, thereby turning off.

또 다른 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 가시광 파장 대역의 광 신호에 대해 상기 광 변조를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the phase change layer may perform the optical modulation on an optical signal in the visible light wavelength band.

또 다른 측면에 따르면, 상기 상부 전극은, 상기 광 신호를 투과시키기 위해 기 설정된 값 이상의 투명도를 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the upper electrode may be formed of a material having transparency greater than a preset value to transmit the optical signal.

또 다른 측면에 따르면, 상기 2차원 상전이 물질 기반 소자는, 상기 상변화층이 상기 전기적 스위칭을 수행함에 따라 상기 반도체 구조상에 대응하는 저항 상태 및 상기 준금속성 구조상에 대응하는 저항 상태로 데이터들을 나타내는 메모리로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the two-dimensional phase change material-based device is a memory that represents data in a resistance state corresponding to the semiconductor structure and a resistance state corresponding to the metalloid structure as the phase change layer performs the electrical switching. It can be characterized as being used as.

또 다른 측면에 따르면, 상기 2차원 상전이 물질 기반 소자는, 상기 상변화층이 상기 광 변조를 수행함에 따라 광 변조기로 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the two-dimensional phase change material-based device may be used as a light modulator as the phase change layer performs the light modulation.

또 다른 측면에 따르면, 상기 2차원 상전이 물질 기반 소자는, 상기 메모리 및 상기 광 변조기로 동시에 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the two-dimensional phase change material-based device may be used simultaneously as the memory and the optical modulator.

또 다른 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 이텔루륨화 몰리브덴(MoTe2)으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the phase change layer may be formed of molybdenum ditelluride (MoTe 2 ).

또 다른 측면에 따르면, 상기 하부 전극은, 광 반사 특성이 기 설정된 값 이상인 물질 또는 상기 상변화층으로의 메탈 이온 침투를 발생시키지 않는 물질로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the lower electrode may be formed of a material whose light reflection characteristics are greater than or equal to a preset value or a material that does not cause metal ions to penetrate into the phase change layer.

일 실시예에 따르면, 2차원 상전이 물질 기반 소자는, 상부 전극; 하부 전극; 및 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에 개재된 채, 전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상 및 준금속성 구조상 사이에서 상변화를 발생시킴으로써, 상기 반도체 구조상에서의 전류 값과 상기 준금속성 구조상에서의 전류 값이 상이한 전기적 스위칭 및 상기 반도체 구조상에서의 광 반사율과 상기 준금속성 구조상에서의 광 반사율이 상이한 광 변조를 동시에 수행하는 상변화층을 포함할 수 있다.According to one embodiment, a two-dimensional phase change material-based device includes an upper electrode; lower electrode; and interposed between the upper electrode and the lower electrode to generate a phase change between the semiconductor structure phase and the semi-metallic structure phase in response to application of a voltage, so that the current value on the semiconductor structure phase and the current value on the semi-metallic structure phase This may include a phase change layer that simultaneously performs different electrical switching and light modulation with different light reflectances on the semiconductor structure and different light reflectances on the metalloid structure.

일 실시예에 따르면, 메모리 및 광 변조기로 동시에 사용되는 소자를 구성하도록 상부 전극 및 하부 전극 사이에 개재되는 상변화층은, 전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상 및 준금속성 구조상 사이에서 상변화를 발생시킬 수 있다.According to one embodiment, the phase change layer interposed between the upper electrode and the lower electrode to form a device used simultaneously as a memory and an optical modulator generates a phase change between the semiconductor structural phase and the semi-metallic structural phase in response to the application of voltage. You can do it.

일 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 상기 반도체 구조상 및 상기 준금속성 구조상 각각에서 상이한 전류 값을 갖는 전기적 스위칭과 상기 반도체 구조상 및 상기 준금속성 구조상 각각에서 상이한 광 반사율을 갖는 광 변조를 동시에 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to one aspect, the phase change layer simultaneously performs electrical switching with different current values in each of the semiconductor structure and the metalloid structure and optical modulation with different light reflectance in each of the semiconductor structure and the metalloid structure. It can be characterized as:

다른 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 문턱 전압 이상의 값을 갖는 제1 전압이 인가됨에 응답하여 상기 반도체 구조상으로부터 상기 준금속성 구조상으로 상변화를 발생시켜 턴 온되고, 상기 제1 전압과 반대 방향의 제2 전압이 인가됨에 응답하여 상기 준금속성 구조상으로부터 상기 반도체 구조상으로 상변화를 발생시켜 턴 오프되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the phase change layer is turned on by generating a phase change from the semiconductor structure to the quasi-metallic structure in response to the application of a first voltage having a value equal to or higher than the threshold voltage, and is turned on in a direction opposite to the first voltage. In response to the application of the second voltage, a phase change occurs from the semi-metallic structure to the semiconductor structure, thereby turning off.

또 다른 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 가시광 파장 대역의 광 신호에 대해 상기 광 변조를 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the phase change layer may perform the optical modulation on an optical signal in the visible light wavelength band.

또 다른 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 상기 상부 전극이 상기 광 신호를 투과시키기 위해 기 설정된 값 이상의 투명도를 갖는 물질로 형성됨에 따라, 상기 광 신호를 수광하는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the phase change layer may be characterized in that it receives the optical signal as the upper electrode is formed of a material having a transparency greater than a preset value to transmit the optical signal.

또 다른 측면에 따르면, 상기 소자는, 상기 상변화층이 상기 전기적 스위칭 및 상기 광 변조를 동시에 수행함으로써 상기 메모리 및 상기 광 변조기로 동시에 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the device may be used simultaneously as the memory and the optical modulator by simultaneously performing the electrical switching and the optical modulation in the phase change layer.

또 다른 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 이텔루륨화 몰리브덴(MoTe2)으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the phase change layer may be formed of molybdenum ditelluride (MoTe 2 ).

또 다른 측면에 따르면, 상기 상변화층은, 광 반사 특성이 기 설정된 값 이상인 물질로 형성되는 가운데, 상기 하부 전극으로부터의 메탈 이온 침투가 발생되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.According to another aspect, the phase change layer may be formed of a material whose light reflection characteristics are greater than or equal to a preset value, and may be characterized in that metal ions do not penetrate from the lower electrode.

일 실시예들은 고속 및 저전력으로 구동 가능하며, 가시광 파장 대역의 광 신호에 대해서 광 변조 특성 구현을 만족시킬 정도로 큰 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n)를 갖는 상변화층을 광 변조 물질로 사용하는 소자를 제안할 수 있다.In one embodiment, a phase change layer that can be driven at high speed and low power and has a real part change (△n) in refractive index and reflectance large enough to satisfy the implementation of optical modulation characteristics for an optical signal in the visible wavelength band is used as an optical modulation material. You can suggest the device to use.

특히, 일 실시예들은 메모리 및 광 변조기로 동시에 사용 가능하도록 전기적 스위칭과 광 변조를 동시에 수행하는 상변화층을 포함하는 소자를 제안할 수 있다.In particular, one embodiment may propose a device including a phase change layer that simultaneously performs electrical switching and optical modulation so that it can be used as a memory and an optical modulator at the same time.

다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.However, the effects of the present invention are not limited to the above effects, and may be expanded in various ways without departing from the technical spirit and scope of the present invention.

도 1은 일 실시예에 따른 2차원 상전이 물질 기반 소자의 구조를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 3은 도 1에 도시된 2차원 상전이 물질 기반 소자가 전기적 스위칭과 광 변조를 동시에 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 2차원 상전이 물질 기반 소자가 전기적 스위칭을 수행함에 따라 메모리의 특성을 갖는 것을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 2차원 상전이 물질 기반 소자의 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n) 특성을 설명하기 위한 그래프이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing the structure of a two-dimensional phase change material-based device according to an embodiment.
Figures 2 and 3 are diagrams to explain that the two-dimensional phase change material-based device shown in Figure 1 simultaneously performs electrical switching and light modulation.
FIG. 4 is a graph to explain that the two-dimensional phase change material-based device shown in FIG. 1 has memory characteristics as it performs electrical switching.
FIG. 5 is a graph for explaining the real part change (Δn) characteristics of the refractive index and reflectance of the two-dimensional phase change material-based device shown in FIG. 1.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the present invention is not limited or limited by the examples. Additionally, the same reference numerals in each drawing indicate the same members.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(Terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 예컨대, 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 영역, 방향, 형상 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 방향, 형상이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역, 방향 또는 형상을 다른 영역, 방향 또는 형상과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시예에서 제1 부분으로 언급된 부분이 다른 실시예에서는 제2 부분으로 언급될 수도 있다.Additionally, terminologies used in this specification are terms used to appropriately express preferred embodiments of the present invention, and may vary depending on the intention of the viewer, operator, or customs in the field to which the present invention belongs. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification. For example, in this specification, singular forms also include plural forms unless specifically stated otherwise in the context. Additionally, as used herein, “comprises” and/or “comprising” refers to a referenced component, step, operation, and/or element that includes one or more other components, steps, operations, and/or elements. It does not exclude the presence or addition of elements. Additionally, although terms such as first and second are used in this specification to describe various areas, directions, and shapes, these areas, directions, and shapes should not be limited by these terms. These terms are merely used to distinguish one area, direction or shape from another area, direction or shape. Accordingly, a part referred to as a first part in one embodiment may be referred to as a second part in another embodiment.

또한, 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 제시된 각각의 실시예 범주에서 개별 구성요소의 위치, 배치, 또는 구성은 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.Additionally, it should be understood that the various embodiments of the present invention are different from one another but are not necessarily mutually exclusive. For example, specific shapes, structures and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention with respect to one embodiment. Additionally, it should be understood that the location, arrangement, or configuration of individual components in each presented embodiment category may be changed without departing from the technical spirit and scope of the present invention.

이하, 도면들을 참조하여 실시예들에 따른 2차원 상전이 물질 기반 소자에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a two-dimensional phase change material-based device according to embodiments will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 2차원 상전이 물질 기반 소자의 구조를 도시한 단면도이고, 도 2 내지 3은 도 1에 도시된 2차원 상전이 물질 기반 소자가 전기적 스위칭과 광 변조를 동시에 수행하는 것을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 1에 도시된 2차원 상전이 물질 기반 소자가 전기적 스위칭을 수행함에 따라 메모리의 특성을 갖는 것을 설명하기 위한 그래프이고, 도 5는 도 1에 도시된 2차원 상전이 물질 기반 소자의 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n) 특성을 설명하기 위한 그래프이다.Figure 1 is a cross-sectional view showing the structure of a two-dimensional phase change material-based device according to an embodiment, and Figures 2 and 3 illustrate that the two-dimensional phase change material-based device shown in Figure 1 simultaneously performs electrical switching and light modulation. FIG. 4 is a graph for explaining that the two-dimensional phase change material-based device shown in FIG. 1 has memory characteristics as it performs electrical switching, and FIG. 5 is a graph showing the two-dimensional phase change material shown in FIG. 1. This is a graph to explain the real part change (△n) characteristics of the refractive index and reflectance of the base device.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 2차원 상전이 물질 기반 소자(100)는 상부 전극(110), 하부 전극(120) 및 상변화층(130)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a two-dimensional phase change material-based device 100 according to an embodiment may include an upper electrode 110, a lower electrode 120, and a phase change layer 130.

상변화층(130)은 상부 전극(110) 및 하부 전극(120) 사이에 개재된 채, 전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상(2H) 및 준금속성 구조상(2Hd) 사이에서 상변화를 발생시켜 광 변조 물질 및 메모리 물질로 사용될 수 있다.The phase change layer 130 is interposed between the upper electrode 110 and the lower electrode 120, and generates a phase change between the semiconductor structure phase (2H) and the metalloid structure phase (2H d ) in response to the application of voltage. It can be used as a light modulation material and memory material.

보다 상세하게, 상변화층(130)은 전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상(2H) 및 준금속성 구조상(2Hd) 각각에서 상이한 전류 값을 갖는 전기적 스위칭과 반도체 구조상(2H) 및 준금속성 구조상(2Hd) 각각에서 상이한 광 반사율을 갖는 광 변조를 동시에 수행할 수 있다.More specifically, the phase change layer 130 performs electrical switching with different current values in the semiconductor structure phase (2H) and the semimetallic structure phase (2H d ) in response to the application of voltage, and the semiconductor structure phase (2H) and the semimetallic structure phase (2H d ). 2H d ) Light modulation with different light reflectances in each can be performed simultaneously.

이와 관련하여 도 2 내지 3을 참조하면, 상변화층(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 전압이 인가되기 전의 오프 상태(Off State)에서 반도체 구조상(2H)의 결정 상태를 유지함으로써 높은 저항 상태(High Resistance State)를 보이며 HRS의 전류 값(IHRS)과 광 반사율(Roff)을 갖다가, 도 3에 도시된 바와 같이 문턱 전압 이상의 값을 갖는 제1 전압이 인가됨에 응답하여 온 상태(On State)로 턴 온 되어 반도체 구조상(2H)의 결정 상태로부터 준금속성 구조상(2Hd)의 결정 상태로 상변화되는 셋(Set) 동작이 수행됨으로써 낮은 저항 상태(Low Resistance State)를 보이며 LRS의 전류 값(ILRS)과 광 반사율(Ron)을 갖게 된다.In this regard, referring to FIGS. 2 and 3, the phase change layer 130 maintains the crystalline state of the semiconductor structure phase (2H) in the off state before voltage is applied, as shown in FIG. 2, thereby maintaining high resistance. It shows a high resistance state and has a current value of HRS (I HRS ) and light reflectance (R off ), and is on in response to the application of a first voltage having a value higher than the threshold voltage as shown in FIG. 3. It is turned on (On State) and a set operation is performed to change the phase from the crystalline state of the semiconductor structure (2H) to the crystalline state of the semi-metallic structure (2H d ), thereby showing a low resistance state and LRS. It has a current value (I LRS ) and light reflectance (R on ).

반대로, 도 3에 도시된 바와 같이 셋(Set) 동작이 수행되어 준금속성 구조상(2Hd)의 결정 상태를 가지며 낮은 저항 상태(Low Resistance State)를 보이는 상변화층(130)에 제1 전압과 반대 방향의 제2 전압이 인가되면, 상변화층(130)은 제2 전압이 인가됨에 응답하여 오프 상태(Off State)로 턴 오프되어 준금속성 구조상(2Hd)의 결정 상태로부터 반도체 구조상(2H)의 결정 상태로 상변화되는 리셋(Reset) 동작이 수행됨으로써 다시 높은 저항 상태(High Resistance State)를 보이며 HRS의 전류 값(IHRS)과 광 반사율(Roff)를 갖게 될 수 있다.On the contrary, as shown in FIG. 3, a set operation is performed to apply a first voltage and When a second voltage in the opposite direction is applied, the phase change layer 130 is turned off to the Off State in response to the application of the second voltage, changing from the crystalline state of the semi-metallic structure phase (2H d ) to the semiconductor structure phase (2H By performing a reset operation that changes the phase to the crystal state of ), the high resistance state can be displayed again and the HRS current value (I HRS ) and light reflectance (R off ) can be obtained.

여기서, 반도체 구조상(2H)에서 전류 값(IHRS)을 갖는다는 것은 반도체 구조상(2H)의 결정 상태인 상변화층(130)에 흐르는 전류가 전류 값(IHRS)을 갖는 것을 의미하며, 준금속성 구조상(2Hd)에서 전류 값(ILRS)을 갖는다는 것은 준금속성 구조상(2Hd)의 결정 상태인 상변화층(130)에 흐르는 전류가 전류 값(ILRS)을 갖는 것을 의미한다.Here, having a current value (I HRS ) in the semiconductor structure phase (2H) means that the current flowing through the phase change layer 130, which is in a crystalline state of the semiconductor structure phase (2H), has a current value (I HRS ). Having a current value (I LRS ) in the metallic structural phase (2H d ) means that the current flowing through the phase change layer 130 in the crystalline state of the metalloidy structural phase (2H d ) has a current value (I LRS ).

즉, 상변화층(130)은 인가되는 전압(제1 전압 또는 제2 전압)에 응답하여 반도체 구조상(2H) 및 준금속성 구조상(2Hd) 사이에서 상변화를 발생시켜 가역적이며 비휘발적인 저항 변화와 광 변조를 야기함으로써, 전기적 스위칭과 광 변조를 동시에 수행할 수 있다.That is, the phase change layer 130 generates a phase change between the semiconductor structure phase (2H) and the semi-metallic structure phase (2H d ) in response to the applied voltage (first voltage or second voltage), thereby providing a reversible and non-volatile resistance. By causing changes and optical modulation, electrical switching and optical modulation can be performed simultaneously.

설명된 바와 같이 상변화층(130)이 도 4에 도시된 바와 같이 인가되는 전압에 따라 셋(Set) 동작 또는 리셋(Reset) 동작을 수행하며 서로 상이한 LRS의 전류 값(ILRS) 또는 HRS의 전류 값(IHRS)을 갖게 됨에 따라, 상변화층(130)을 포함하는 소자(100)는 전기적 스위칭을 구현한 메모리로 사용될 수 있다.As described, the phase change layer 130 performs a set or reset operation according to the applied voltage, as shown in FIG. 4, and changes the current value (I LRS ) of different LRS or HRS. As it has a current value (I HRS ), the device 100 including the phase change layer 130 can be used as a memory that implements electrical switching.

또한, 설명된 바와 같이 상변화층(130)이 인가되는 전압에 따라 반도체 구조상(2H) 및 준금속성 구조상(2Hd) 사이에서 상변화를 발생시켜 서로 상이한 광 반사율들(Roff 또는 Ron)을 갖게 됨에 따라, 상변화층(130)을 포함하는 소자(100)는 광 변조를 구현한 광 변조기로 사용될 수 있다. 특히, 상변화층(130)이 상변화에 따라 갖게 되는 서로 상이한 광 반사율들(Roff 또는 Ron)은 650nm 이상의 파장 대역에서 그 차이가 극대화될 수 있다.In addition, as described, the phase change layer 130 generates a phase change between the semiconductor structure phase (2H) and the semi-metallic structure phase (2H d ) depending on the applied voltage, resulting in different light reflectances (R off or R on ) As it has, the device 100 including the phase change layer 130 can be used as a light modulator that implements light modulation. In particular, the different light reflectances (R off or R on ) that the phase change layer 130 has depending on the phase change can be maximized in a wavelength band of 650 nm or more.

이처럼 상변화층(130)이 인가되는 하나의 전압(제1 전압 또는 제2 전압)에 의해 전기적 스위칭과 광 변조를 동시에 수행함으로써, 상변화층(130)을 포함하는 소자(100)는 메모리 및 광 변조기로 동시에 사용될 수 있다.In this way, the phase change layer 130 simultaneously performs electrical switching and optical modulation by one applied voltage (first voltage or second voltage), so that the device 100 including the phase change layer 130 is a memory and It can be used simultaneously as a light modulator.

일례로, 소자(100)는 상변화층(130)이 전기적 스위칭을 수행함에 따라, 반도체 구조상(2H)에 대응하는 높은 저항 상태(High Resistance State) 및 준금속성 구조상(2Hd)에 대응하는 낮은 저항 상태(Low Resistance State)로 데이터들을 각각 나타냄으로써 메모리로 사용될 수 있으며, 이와 동시에, 광 변조기로도 사용될 수 있다.For example, as the phase change layer 130 performs electrical switching, the device 100 enters a high resistance state corresponding to the semiconductor structural phase (2H) and a low resistance state corresponding to the metalloid structural phase (2H d ). It can be used as a memory by representing each data in a low resistance state, and at the same time, it can also be used as an optical modulator.

이 때, 상변화층(130)이 광 변조를 수행하는 대상인 광 신호는 상변화층(130)으로 입사되는 가시광 파장 대역의 광 신호일 수 있다. 일례로, 상변화층(130)은 500 내지 700nm의 파장 대역의 광 신호에 대해 반도체 구조상(2H)에 대응하는 높은 저항 상태(High Resistance State) 및 준금속성 구조상(2Hd)에 대응하는 낮은 저항 상태(Low Resistance State)에서 서로 상이한 광 반사율을 가짐으로써, 가시광 파장 대역의 광 신호에 대한 광 변조를 구현할 수 있다.At this time, the optical signal on which the phase change layer 130 performs optical modulation may be an optical signal in the visible light wavelength band incident on the phase change layer 130. For example, the phase change layer 130 has a high resistance state corresponding to the semiconductor structure phase (2H) and a low resistance corresponding to the metalloid structure phase (2H d ) for optical signals in the wavelength range of 500 to 700 nm. By having different light reflectances in the low resistance state, optical modulation of the optical signal in the visible light wavelength band can be implemented.

도면에서는 상변화층(130)이 이텔루륨화 몰리브덴(MoTe2)으로 형성되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되거나 한정되지 않고 전술된 바와 같이 가시광 파장 대역의 광 신호에 대해 광 변조를 수행하는 조건과 전기적 스위칭 및 광 변조를 동시에 수행하는 조건을 만족시키는 다양한 상변화 물질로 형성될 수 있다.In the drawing, the phase change layer 130 is shown as being formed of molybdenum ditelluride (MoTe 2 ), but it is not limited or limited thereto, and as described above, the conditions and electrical conditions for performing optical modulation on an optical signal in the visible light wavelength band are It can be formed of various phase change materials that satisfy the conditions of simultaneously performing switching and light modulation.

여기서 상변화층(130)은 10 내지 35nm의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되거나 한정되지는 않는다.Here, the phase change layer 130 may be formed to have a thickness of 10 to 35 nm, but is not limited or limited thereto.

상부 전극(110)은 광 신호를 투과시켜 상변화층(130)으로 입사시키도록 기 설정된 값 이상의 투명도를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 상부 전극(110)으로는 투명 전극 소재인 ITO(Indium-Tin-Oxide)가 사용될 수 있다. 상부 전극(110)은 348nm 이하의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되거나 한정되지는 않는다.The upper electrode 110 may be formed of a material having a transparency greater than a preset value to allow optical signals to pass through and enter the phase change layer 130 . For example, ITO (Indium-Tin-Oxide), a transparent electrode material, may be used as the upper electrode 110. The upper electrode 110 may be formed to have a thickness of 348 nm or less, but is not limited or limited thereto.

하부 전극(120)은 소재 제한 없이 다양한 물질로 형성될 수 있으나, 광 반사 특성이 기 설정된 값 이상인 물질로 형성되거나, 상변화층(130)으로의 메탈 이온 침투를 발생시키지 않는 물질로 형성될 수 있다. 일례로, 하부 전극(120)으로는 광 반사 특성이 기 설정된 값 이상인 금(Au) 또는 은(Ag) 중 상변화층(130)으로의 메탈 이온 침투를 발생시키지 않는 금(Au)으로 형성될 수 있다. 하부 전극(120)은 100nm 이하의 두께로 형성될 수 있으나, 이에 제한되거나 한정되지는 않는다.The lower electrode 120 may be formed of a variety of materials without material limitations, but may be formed of a material whose light reflection characteristics are greater than a preset value, or may be formed of a material that does not cause metal ions to penetrate into the phase change layer 130. there is. For example, the lower electrode 120 may be formed of gold (Au) or silver (Ag), which does not cause metal ions to penetrate into the phase change layer 130, among gold (Au) or silver (Ag) whose light reflection characteristics are greater than a preset value. You can. The lower electrode 120 may be formed to have a thickness of 100 nm or less, but is not limited or limited thereto.

이상 설명된 구조의 소자(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 종래의 GST(Ge2Sb2Te5) 기반의 광 변조 물질보다 큰 값의 굴절률 및 반사율의 실수 부분 변화(△n)를 갖는 상변화층(130)을 포함함으로써, 개선된 광 변조 특성을 갖는 광 변조기로 사용될 수 있다.As shown in FIG. 5, the device 100 of the structure described above has a real part change (△n) in the refractive index and reflectance that is larger than that of the conventional GST (Ge 2 Sb 2 Te 5 )-based light modulation material. By including the phase change layer 130, it can be used as a light modulator with improved light modulation characteristics.

또한, 이상 설명된 구조의 소자(100)는 가시광 파장 대역의 광 신호에 대해 광 변조를 수행하는 상변화층(130)을 포함함으로써, 가시광 파장 대역의 광 신호에 대한 광 변조기로 사용될 수도 있다.In addition, the device 100 having the structure described above includes a phase change layer 130 that performs optical modulation on optical signals in the visible light wavelength band, and thus may be used as an optical modulator for optical signals in the visible light wavelength band.

특히, 이상 설명된 구조의 소자(100)는 광 변조와 전기적 스위칭을 동시에 수행하는 상변화층(130)을 포함함으로써, 메모리 및 광 변조기로 동시에 사용될 수 있다.In particular, the device 100 having the structure described above includes a phase change layer 130 that simultaneously performs optical modulation and electrical switching, so that it can be used as a memory and an optical modulator at the same time.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 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.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, various modifications and variations can be made by those skilled in the art from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.

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

Claims (19)

2차원 상전이 물질 기반 소자에 있어서,
상부 전극;
하부 전극; 및
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에 개재된 채, 전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상 및 준금속성 구조상 사이에서 상변화를 발생시키는 상변화층
을 포함하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.In a two-dimensional phase change material-based device,
upper electrode;
lower electrode; and
A phase change layer that is interposed between the upper electrode and the lower electrode and generates a phase change between the semiconductor structure phase and the metalloid structure phase in response to the application of voltage.
A two-dimensional phase change material-based device comprising a. 제1항에 있어서,
상기 상변화층은,
상기 반도체 구조상 및 상기 준금속성 구조상 각각에서 상이한 전류 값을 갖는 전기적 스위칭과 상기 반도체 구조상 및 상기 준금속성 구조상 각각에서 상이한 광 반사율을 갖는 광 변조를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to paragraph 1,
The phase change layer is,
A two-dimensional phase change material-based device that simultaneously performs electrical switching with different current values in each of the semiconductor structure and the semimetallic structure and optical modulation with different light reflectances in each of the semiconductor structure and the semimetallic structure. 제2항에 있어서,
상기 상변화층은,
문턱 전압 이상의 값을 갖는 제1 전압이 인가됨에 응답하여 상기 반도체 구조상으로부터 상기 준금속성 구조상으로 상변화를 발생시켜 턴 온되고, 상기 제1 전압과 반대 방향의 제2 전압이 인가됨에 응답하여 상기 준금속성 구조상으로부터 상기 반도체 구조상으로 상변화를 발생시켜 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to paragraph 2,
The phase change layer is,
In response to the application of a first voltage having a value equal to or higher than the threshold voltage, a phase change occurs from the semiconductor structure to the quasi-metallic structure and turned on, and in response to the application of a second voltage in the opposite direction to the first voltage, the quasi-metallic structure is turned on. A two-dimensional phase change material-based device characterized in that it is turned off by generating a phase change from the metallic structure to the semiconductor structure. 제2항에 있어서,
상기 상변화층은,
가시광 파장 대역의 광 신호에 대해 상기 광 변조를 수행하는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to paragraph 2,
The phase change layer is,
A two-dimensional phase change material-based device characterized in that the optical modulation is performed on an optical signal in the visible light wavelength band. 제4항에 있어서,
상기 상부 전극은,
상기 광 신호를 투과시키기 위해 기 설정된 값 이상의 투명도를 갖는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to paragraph 4,
The upper electrode is,
A two-dimensional phase change material-based device, characterized in that it is formed of a material having transparency above a preset value to transmit the optical signal. 제2항에 있어서,
상기 2차원 상전이 물질 기반 소자는,
상기 상변화층이 상기 전기적 스위칭을 수행함에 따라 상기 반도체 구조상에 대응하는 저항 상태 및 상기 준금속성 구조상에 대응하는 저항 상태로 데이터들을 나타내는 메모리로 사용되는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to paragraph 2,
The two-dimensional phase change material-based device,
A two-dimensional phase change material-based device, wherein the phase change layer is used as a memory to represent data in a resistance state corresponding to the semiconductor structure and a resistance state corresponding to the metalloid structure as the phase change layer performs the electrical switching. 제2항에 있어서,
상기 2차원 상전이 물질 기반 소자는,
상기 상변화층이 상기 광 변조를 수행함에 따라 광 변조기로 사용되는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to paragraph 2,
The two-dimensional phase change material-based device,
A two-dimensional phase change material-based device, characterized in that the phase change layer is used as a light modulator as it performs the light modulation. 제6항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2차원 상전이 물질 기반 소자는,
상기 메모리 및 상기 광 변조기로 동시에 사용되는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to any one of paragraphs 6 or 7,
The two-dimensional phase change material-based device,
A two-dimensional phase change material-based device, characterized in that it is used simultaneously as the memory and the optical modulator. 제1항에 있어서,
상기 상변화층은,
이텔루륨화 몰리브덴(MoTe2)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to paragraph 1,
The phase change layer is,
A two-dimensional phase transition material-based device characterized by being formed of molybdenum ditelluride (MoTe 2 ). 제1항에 있어서,
상기 하부 전극은,
광 반사 특성이 기 설정된 값 이상인 물질 또는 상기 상변화층으로의 메탈 이온 침투를 발생시키지 않는 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.According to paragraph 1,
The lower electrode is,
A two-dimensional phase change material-based device, characterized in that it is formed of a material whose light reflection characteristics are greater than a preset value or a material that does not cause metal ions to penetrate into the phase change layer. 2차원 상전이 물질 기반 소자에 있어서,
상부 전극;
하부 전극; 및
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에 개재된 채, 전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상 및 준금속성 구조상 사이에서 상변화를 발생시킴으로써, 상기 반도체 구조상에서의 전류 값과 상기 준금속성 구조상에서의 전류 값이 상이한 전기적 스위칭 및 상기 반도체 구조상에서의 광 반사율과 상기 준금속성 구조상에서의 광 반사율이 상이한 광 변조를 동시에 수행하는 상변화층
을 포함하는 2차원 상전이 물질 기반 소자.In a two-dimensional phase change material-based device,
upper electrode;
lower electrode; and
Interposed between the upper electrode and the lower electrode, a phase change occurs between the semiconductor structure phase and the semi-metallic structure phase in response to application of voltage, so that the current value on the semiconductor structure and the current value on the semi-metallic structure are changed. A phase change layer that simultaneously performs different electrical switching and light modulation where the light reflectance on the semiconductor structure and the light reflectance on the metalloid structure are different.
A two-dimensional phase change material-based device comprising a. 메모리 및 광 변조기로 동시에 사용되는 소자를 구성하도록 상부 전극 및 하부 전극 사이에 개재되는 상변화층에 있어서,
상기 상변화층은,
전압이 인가됨에 응답하여 반도체 구조상 및 준금속성 구조상 사이에서 상변화를 발생시키는 상변화층.In the phase change layer interposed between the upper electrode and the lower electrode to form a device used simultaneously as a memory and an optical modulator,
The phase change layer is,
A phase change layer that generates a phase change between the semiconductor structural phase and the semi-metallic structural phase in response to the application of voltage. 제12항에 있어서,
상기 상변화층은,
상기 반도체 구조상 및 상기 준금속성 구조상 각각에서 상이한 전류 값을 갖는 전기적 스위칭과 상기 반도체 구조상 및 상기 준금속성 구조상 각각에서 상이한 광 반사율을 갖는 광 변조를 동시에 수행하는 것을 특징으로 하는 상변화층.According to clause 12,
The phase change layer is,
A phase change layer, characterized in that simultaneously performing electrical switching with different current values in each of the semiconductor structure and the semimetallic structure and optical modulation with different light reflectances in each of the semiconductor structure and the semimetallic structure. 제13항에 있어서,
상기 상변화층은,
문턱 전압 이상의 값을 갖는 제1 전압이 인가됨에 응답하여 상기 반도체 구조상으로부터 상기 준금속성 구조상으로 상변화를 발생시켜 턴 온되고, 상기 제1 전압과 반대 방향의 제2 전압이 인가됨에 응답하여 상기 준금속성 구조상으로부터 상기 반도체 구조상으로 상변화를 발생시켜 턴 오프되는 것을 특징으로 하는 상변화층.According to clause 13,
The phase change layer is,
In response to the application of a first voltage having a value equal to or higher than the threshold voltage, a phase change occurs from the semiconductor structure to the quasi-metallic structure and turned on, and in response to the application of a second voltage in the opposite direction to the first voltage, the quasi-metallic structure is turned on. A phase change layer that is turned off by generating a phase change from the metallic structure to the semiconductor structure. 제13항에 있어서,
상기 상변화층은,
가시광 파장 대역의 광 신호에 대해 상기 광 변조를 수행하는 것을 특징으로 하는 상변화층.According to clause 13,
The phase change layer is,
A phase change layer characterized in that the optical modulation is performed on an optical signal in the visible light wavelength band. 제15항에 있어서,
상기 상변화층은,
상기 상부 전극이 상기 광 신호를 투과시키기 위해 기 설정된 값 이상의 투명도를 갖는 물질로 형성됨에 따라, 상기 광 신호를 수광하는 것을 특징으로 하는 상변화층.According to clause 15,
The phase change layer is,
A phase change layer, characterized in that it receives the optical signal as the upper electrode is formed of a material having transparency greater than a preset value to transmit the optical signal. 제13항에 있어서,
상기 소자는,
상기 상변화층이 상기 전기적 스위칭 및 상기 광 변조를 동시에 수행함으로써 상기 메모리 및 상기 광 변조기로 동시에 사용되는 것을 특징으로 하는 상변화층.According to clause 13,
The device is,
A phase change layer, characterized in that the phase change layer is simultaneously used as the memory and the optical modulator by simultaneously performing the electrical switching and the optical modulation. 제12항에 있어서,
상기 상변화층은,
이텔루륨화 몰리브덴(MoTe2)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 상변화층.According to clause 12,
The phase change layer is,
A phase change layer characterized by being formed of molybdenum ditelluride (MoTe 2 ). 제12항에 있어서,
상기 상변화층은,
광 반사 특성이 기 설정된 값 이상인 물질로 형성되는 가운데, 상기 하부 전극으로부터의 메탈 이온 침투가 발생되지 않는 것을 특징으로 하는 상변화층.According to clause 12,
The phase change layer is,
A phase change layer formed of a material whose light reflection characteristics are greater than or equal to a preset value, and wherein penetration of metal ions from the lower electrode does not occur.
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