WO2020055013A1 - 2차원 반도체, 이를 p형 도핑하는 방법, 및 이를 포함하는 2차원 반도체 장치 - Google Patents

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서승영
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Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional semiconductor, a method of doping it p-type, and a two-dimensional semiconductor device including the same.
  • 2D semiconductors are materials that have excellent electrical, mechanical, and optical properties, and are spotlighted as next-generation semiconductor materials applicable to flexible devices and transparent devices. For example, in order to use a 2D semiconductor for a 2D semiconductor as a useful electronic device, a process of doping the 2D semiconductor must be performed.
  • the process of doping a semiconductor film includes directly implanting impurities into the semiconductor film or depositing the semiconductor film together with the impurities.
  • the 2D semiconductor material may be damaged. Therefore, a new method of doping a 2D semiconductor is required.
  • One problem to be solved by the present invention is to provide a two-dimensional semiconductor including a p-type doped region.
  • One problem to be solved by the present invention is to provide a method for p-type doping of a 2D semiconductor.
  • One problem to be solved by the present invention is to provide a two-dimensional semiconductor device including a p-type doped two-dimensional semiconductor.
  • a two-dimensional semiconductor according to exemplary embodiments of the present invention for solving the above-described problem includes a two-dimensional transition metal chalcogenide film having a first region and a second region adjacent to the first region, One region may have a first conductivity type, the second region may have a second conductivity type different from the first conductivity type, and the first region may be doped with oxygen atoms.
  • a method of doping a 2D semiconductor according to exemplary embodiments of the present invention for solving the above problems includes forming a 2D transition metal chalcogenide film on a substrate; Forming a metal pattern on the two-dimensional transition metal chalcogenide film; Exposing the metal pattern to a gas atmosphere of a specific element; And selectively irradiating a light source to the metal pattern.
  • a two-dimensional semiconductor and a two-dimensional semiconductor device including a p-type doped region can be provided.
  • a doping method of a two-dimensional semiconductor that does not degrade the electrical, mechanical, and optical properties of the two-dimensional semiconductor can be provided.
  • FIG. 1 is a plan view of a two-dimensional semiconductor device according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line I-I 'in FIG. 1.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line II'-II 'in FIG. 1.
  • 3A is a graph showing the oxygen atom concentration profile of the two-dimensional transition metal chalcogenide film of the present invention.
  • Figure 3b shows the Raman peaks (Raman peaks) when irradiated with 2H-MoTe 2 laser.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of doping a 2D semiconductor according to exemplary embodiments of the present invention.
  • 5 to 8 are cross-sectional views corresponding to lines I-I 'of FIG. 1 for describing a method of doping a 2D semiconductor according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 9 is a view schematically showing that the upper surface of the MoTe 2 pattern is cut according to the experimental example of the present invention.
  • FIG. 10 is an image showing STM topography of the second region of the MoTe 2 pattern.
  • 11 is an image showing the STM topographic map of the first region of the MoTe 2 pattern.
  • FIG. 13 is a plan view illustrating an experimental example for a 2D semiconductor according to exemplary embodiments of the present invention.
  • 15A is a graph showing drain / source voltage (Vb) -drain current (Id) characteristics of the 2D semiconductor device described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • 15B is a graph showing gate / source voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics of the 2D semiconductor device described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • 16A and 16B are graphs showing drain / source voltage (Vb) -drain current (Id) characteristics according to laser irradiation time in region 1_2 described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • 16C is a graph showing gate / source voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics according to laser irradiation time in region 1_2 described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • 16D is a graph showing carrier concentration and sheet resistance characteristics according to laser irradiation time in the region 1_2 described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • 17 is a plan view of a two-dimensional semiconductor device according to example embodiments of the present invention.
  • 19 is a plan view of a two-dimensional semiconductor device according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view taken along line I-I 'in FIG. 19.
  • 21 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 18.
  • FIG. 22 is a plan view of a two-dimensional semiconductor device according to exemplary embodiments of the present invention.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view taken along line I-I 'in FIG. 22.
  • FIG. 1 is a plan view of a two-dimensional semiconductor device according to exemplary embodiments of the present invention.
  • 2A is a cross-sectional view taken along line I-I 'in FIG. 1.
  • 2B is a cross-sectional view taken along line II'-II 'in FIG. 1.
  • a two-dimensional semiconductor device 10 including a substrate 100, a two-dimensional transition metal chalcogenide compound film 200, and a metal pattern 300 may be provided.
  • the substrate 100 may include a stacked semiconductor layer (not shown) and an insulating layer (not shown).
  • the substrate 100 may include a silicon (Si) layer and an SiO 2 layer provided on the silicon layer.
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may be provided on the substrate 100.
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide compound film 200 may include a two-dimensional transition metal chalcogenide compound.
  • the 2D transition metal chalcogenide membrane 200 may include 2H-MoTe 2 .
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may have a single-layer structure or a multi-layer structure.
  • the thickness of the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may be about 6 angstroms ( ⁇ ) to about 30 angstroms ( ⁇ ).
  • the conductivity type of the 2D transition metal chalcogen compound film 200 may be determined according to the transition metal chalcogen compound in the 2D transition metal chalcogen compound film 200.
  • the conductivity type of the two-dimensional transition metal chalcogenide membrane 200 May be n-type.
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide membrane 200 includes WS 2 , ZrS 2 , ZrSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , or NbSe 2
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide membrane 200 The conductive type of may be p-type.
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may include a first region 210 and a second region 220.
  • the first region 210 may include clusters (not shown) and vacancies (not shown). The clusters and the public areas of the first region 210 will be described in more detail through the third defect (Type C) and the second defect (Type B) shown in FIG. 11 to be described later.
  • Each of the clusters may be a bundle of elements including elements outside the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200.
  • the element bundle can be a collection of elements.
  • the cluster may contain oxygen atoms. Oxygen atoms in the cluster may be introduced into the two-dimensional transition metal chalcogenide membrane 200 from the outside (eg, atmosphere) of the two-dimensional transition metal chalcogenide membrane 200.
  • the cluster may be a region in which oxygen atoms are aggregated in the 2D transition metal chalcogen compound film 200.
  • the cluster may be a structure or particle formed by agglomeration of oxygen atoms in the two-dimensional transition metal chalcogen compound film 200.
  • the cluster may be a structure or particle formed by reaction of oxygen with a transition metal chalcogenide compound.
  • the clusters can be electron acceptors. Since the clusters in the first region 210 accept electrons, the first region 210 of the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may have a p-type. In other words, clusters can function as p-type impurities. Accordingly, the p-type doping concentration of the first region 210 may be proportional to the density of clusters.
  • the density of clusters can have a gradient. In example embodiments, the density of clusters may be highest under the metal pattern 300 and lower as far away from the metal pattern 300. Accordingly, the p-type doping concentration is highest under the metal pattern 300 and may be lower as it is farther from the metal pattern 300.
  • 3A is a graph showing the oxygen atom concentration profile of the two-dimensional transition metal chalcogenide film of the present invention.
  • the concentration of oxygen atoms (ie, atomic percent) of the 2D transition metal chalcogen compound film 200 is highest under the metal pattern 300 and may decrease as the distance from the metal pattern 300 increases. have.
  • the concentration of the oxygen atom may decrease from the first region 210 to the second region 220.
  • the concentration of oxygen atoms in the second region 220 may converge to substantially zero.
  • the concentration profile of the oxygen atom shown in FIG. 3A may substantially match the density profile of the clusters described above. Thereby, the cluster is closely related to the oxygen atom, for example, the cluster may include an oxygen atom.
  • Each pore may be formed by missing transition metal atoms in the lattice of the transition metal chalcogenide compound.
  • the transition metal atom and the chalcogen atom may combine with each other to form a lattice structure.
  • Voids may form as the transition metal atoms in the lattice escape.
  • the density of the public can have a gradient. In example embodiments, the densities of the cavities are highest under the metal pattern 300 and may be lower as far away from the metal pattern 300.
  • the conductivity type of the second region 220 may be determined according to the type of the transition metal chalcogenide compound in the second region 220. For example, when the second region 220 includes MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WSe 2 , or WTe 2 , the conductivity type of the second region 220 may be n-type. In another example, when the second region 220 includes WS 2 , ZrS 2 , ZrSe 2 , HfS 2 , HfSe 2 , or NbSe 2 , the conductivity type of the second region 220 may be p-type.
  • the metal pattern 300 may be provided on the first region 210.
  • the metal pattern 300 may directly contact the first region 210.
  • the metal pattern 300 may be electrically connected to the first region 210.
  • the metal pattern 300 may include gold (Au).
  • the metal pattern 300 may further include an adhesive layer (not shown).
  • the adhesive layer may be disposed under the metal pattern 300.
  • the adhesive layer may increase adhesion between the metal pattern 300 and the first region 210.
  • the adhesive layer may include chromium (Cr).
  • a 2D semiconductor is doped using a general doping process (for example, an ion implant process)
  • a general doping process for example, an ion implant process
  • the lattice structure of the 2D semiconductor is damaged by the implanted ions, and characteristics of the 2D semiconductor may be lost.
  • the first region 210 may be p-type doped by clusters introduced from the outside of the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200. Since the clusters do not damage the lattice structure of the two-dimensional transition metal chalcogen compound in the first region 210, the two-dimensional transition metal chalcogen compound in the first region 210 can maintain properties as a two-dimensional semiconductor. As a result, a 2D transition metal chalcogen compound film 200 having a p-type doped region but having properties of a 2D transition metal chalcogen compound may be provided.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method of doping a 2D semiconductor according to exemplary embodiments of the present invention.
  • 5 to 8 are cross-sectional views corresponding to lines I-I 'of FIG. 1 for describing a method of doping a 2D semiconductor according to exemplary embodiments of the present invention.
  • a two-dimensional transition metal chalcogenide compound film 200 may be formed on the substrate 100.
  • the substrate 100 is sequentially stacked semiconductor layers (not shown) and An insulating layer (not shown) may be included.
  • the substrate 100 may include a silicon (Si) layer and an SiO 2 layer provided on the silicon layer.
  • Forming the 2D transition metal chalcogenide film 200 may include performing a physical exfoliation or chemical vapor deposition (CVD).
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide compound film 200 may include a two-dimensional transition metal chalcogenide compound.
  • the 2D transition metal chalcogenide membrane 200 may include 2H-MoTe 2 .
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may be formed to have a single-layer structure or a multi-layer structure.
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may be formed to a thickness of about 6 angstroms ( ⁇ ) to about 30 angstroms ( ⁇ ).
  • a 2D transition metal chalcogen compound pattern 202 may be formed.
  • the process of patterning the cogen compound film 200 includes forming a first photoresist pattern PR1 on the two-dimensional transition metal chalcogen compound film 200 and using the first photoresist pattern PR1 as an etching mask. It may include performing a plasma dry etching process to use. In exemplary embodiments, CF4 gas may be used as the etching gas in the plasma dry etching process. After the patterning process of the 2D transition metal chalcogenide film 200 is finished, the first photoresist pattern PR1 may be removed.
  • a metal pattern 300 may be formed on the two-dimensional transition metal chalcogenide pattern 202.
  • the process of forming the metal pattern 300 is a two-dimensional transition metal.
  • Deposition of the conductive material can include an electron beam metal deposition process.
  • the metal pattern 300 may include chromium (Cr) and gold (Au) deposited in sequence.
  • the second photoresist pattern PR2 may be removed.
  • the laser 400 is irradiated onto the metal pattern 300, so that the two-dimensional transition metal chalcogen compound pattern 202 can be p-type doped.
  • (S40) Metal Pattern 300 When the laser 400 is irradiated, clusters and voids may be generated in a region adjacent to the portion where the laser 400 is irradiated among the two-dimensional transition metal chalcogenide pattern 202.
  • the wavelength of the laser 400 may be selected in the wavelength range of the visible light region. For example, the wavelength of the laser 400 may be 350 nm to 750 nm.
  • the area in which the clusters and the public areas are generated may be referred to as the first area 210.
  • the first region 210, clusters, and cavities may be substantially the same as those described with reference to FIGS. 1 to 3A.
  • the first region 210 may be p-type doped by clusters.
  • a portion other than the first region 210 may be referred to as a second region 220.
  • the second region 220 may be substantially the same as described with reference to FIGS. 1 to 3A.
  • the second region 220 may be a p-type doped region.
  • a 2D semiconductor is doped using a general doping process (for example, an ion implant process)
  • a general doping process for example, an ion implant process
  • the lattice structure of the 2D semiconductor is damaged by the implanted ions, and characteristics of the 2D semiconductor may be lost.
  • the first region 210 may be p-type doped by clusters generated by the laser 400 irradiated onto the metal pattern 300. Since the clusters do not damage the lattice structure of the two-dimensional transition metal chalcogen compound in the first region 210, the two-dimensional transition metal chalcogen compound in the first region 210 can maintain properties as a two-dimensional semiconductor. As a result, a p-type doping method of the two-dimensional transition metal chalcogen compound film 200 that does not degrade the properties of the two-dimensional transition metal chalcogenide compound can be provided.
  • a 2H-MoTe 2 pattern 202 was formed on the SiO2 / p + Si substrate 100 with a thickness of 20 nm.
  • a metal pattern 300 is formed by sequentially depositing 1 nm thick chromium (Cr) and 20 nm thick gold (Au) in the opening OP. Formed.
  • the laser 400 was irradiated to the metal pattern 300. Laser 400 irradiation was performed in an atmosphere (atmosphere). The wavelength of the laser 400 was 532 nm, and the power of the laser was 20 mW.
  • STM scanning tunneling microscopy
  • STS scanning tunneling spectroscopy
  • the 2H-MoTe 2 pattern 202 has a first region 210 adjacent to a portion where the laser 400 is irradiated and a second region 220 unaffected by the laser laser 400.
  • the second region 220 is clean MoTe 2 (pristine MoTe 2 ).
  • STM topography of the second region 220 is shown in FIG. 10.
  • Atomic decomposition lattice defects on clean MoTe 2 were observed.
  • the lattice defect is a brightly visible part and corresponds to the position of the Te atom in the Te-Mo-Te triangular prism. This was referred to as the first defect (Type A).
  • the first defect (Type A) is the vacancy of the Te atom, which is a chalcogenide.
  • the first defect (Type A), which is a public chalcogen is an intrinsic defect of the two-dimensional transition metal chalcogen compound.
  • the STM topography of the first region 210 is shown in FIG. 11.
  • the second defect (Type B) and the third defect (Type C) as well as the first defect (Type A) observed in the STM topographic map of the second region 220 are additionally Was observed.
  • the second defect (Type B) is a pit located at the Mo atomic site adjacent to the Te atomic site. That is, the second defect (Type B) is a void of the Mo atom that is a transition metal. Meanwhile, the differential conductance (dI / dV) measured in the second defect (Type B) is similar to the dI / dV measured in the first defect (Type A). Therefore, it is determined that the second defect (Type B) does not function as the dopant of the present invention.
  • the third defect (Type C) is a cluster of large surrounding corrugations, and no special atomic structural characteristics were observed.
  • 12A shows dI / dV of the third defect (Type C).
  • 12B shows a dI / dV curve measured while traversing the third defect (Type C) in a straight line.
  • dI / dV of the third defect (Type C) exhibited a substantial potential change of ⁇ 0.5 eV in an unoccupied state.
  • a convergence band minimum (CBM) -valence band maximum (VBM) position and local variation of the tail edge of the band were observed on an atomic scale.
  • oxygen molecules in the atmosphere may diffuse into the 2H-MoTe 2 pattern 202 while irradiating the laser 400 in the atmosphere. As a result, it is determined that the concentration profile of the oxygen atom shown in FIG. 3A has occurred. Meanwhile, the number (or density) of the second defect (Type B) and the third defect (Type C) also decreases from the first region 210 to the second region 220. That is, the density profile of the second defect (Type B) and the third defect (Type C) coincides with the concentration profile of the oxygen atom in FIG. 3A.
  • Figure 3b shows the Raman peaks (Raman peaks) when irradiated with 2H-MoTe 2 laser.
  • Raman peaks Raman peaks
  • 2H-MoTe 2 when the laser is irradiated to 2H-MoTe 2 , it can be seen that Mo and oxygen (O) combine to form an MO2 bond.
  • the laser irradiation according to the present invention can generate the effect that the oxygen atom is doped.
  • FIG. 13 is a plan view illustrating an experimental example for a 2D semiconductor according to exemplary embodiments of the present invention.
  • 14 is a cross-sectional view taken along line I-I 'of FIG. 13.
  • substantially the same content as described with reference to FIGS. 4 to 8 may not be described.
  • an SiO2 / p + Si substrate 100 was prepared.
  • a 2H-MoTe 2 film was formed with a thickness of 20 nm.
  • a CF4 dry plasma etching process was performed to form a 2H-MoTe 2 pattern 202.
  • first and second patterns 301 and 302 were irradiated with a laser.
  • the wavelength of the laser was 532 nanometers (nm)
  • the output of the laser was 26 milliwatts (mW)
  • the diameter of the laser was 1 micrometer ( ⁇ m). The laser was not irradiated to the third and fourth patterns 303 and 304.
  • the 2H-MoTe 2 pattern 202 between the first and second patterns 301 and 302 was referred to as a 1_2 region R12.
  • the conductivity type of the 1_2 region R12 was p-type.
  • the 2H-MoTe 2 pattern 202 between the second and third patterns 302 and 303 was referred to as a 2_3 region R23.
  • the conductivity type of the 2_3 region R23 was p-type at a portion adjacent to the second pattern 302 and n-type at a portion adjacent to the third pattern 303.
  • the 2H-MoTe 2 pattern 202 between the third and fourth patterns 303 and 304 was referred to as a 3_4 region R34.
  • the conductivity type of the 3_4 region R34 was n-type.
  • the back gate electrode BGE was provided on the bottom surface of the substrate 100.
  • 15A is a graph showing drain / source voltage (Vb) -drain current (Id) characteristics of the 2D semiconductor device described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • 15B is a graph showing gate / source voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics of the 2D semiconductor device described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • the back gate electrode BGE was used as the gate electrode
  • the first to fourth patterns 301, 302, 303, and 304 were used as the source electrode and the drain electrode.
  • the 1_2 region (R12) showed the characteristics of the p-type semiconductor
  • the 2_3 region (R23) showed the characteristics of the pn junction
  • the 3_4 region (R34) showed the characteristics of the n-type semiconductor.
  • 16A and 16B are graphs showing drain / source voltage (Vb) -drain current (Id) characteristics according to laser irradiation time in region 1_2 described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • 16C is a graph showing gate / source voltage (Vg) -drain current (Id) characteristics according to laser irradiation time in region 1_2 described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • 16D is a graph showing carrier concentration and sheet resistance characteristics according to laser irradiation time in the region 1_2 described with reference to FIGS. 13 and 14. The laser was irradiated up to 90 seconds, and the graphs shown in FIGS. 16A to 16D were recorded at 10 second intervals.
  • 17 is a plan view of a two-dimensional semiconductor device according to example embodiments of the present invention.
  • 18 is a cross-sectional view taken along line I-I 'in FIG. 17.
  • substantially the same content as described with reference to FIGS. 1 to 3A may not be described.
  • a two-dimensional semiconductor device including a substrate 100, a two-dimensional transition metal chalcogenide compound film 200, a first metal pattern 310, and a second metal pattern 320 ( 12) can be provided.
  • the substrate 100, the two-dimensional transition metal chalcogen compound film 200, and the first metal pattern 310 are the substrate 100, the two-dimensional transition metal chalcogen compound film described with reference to FIGS. 1 to 3A, respectively. 200, and the metal pattern 300 may be substantially the same.
  • the second metal pattern 320 may be provided on the second region 220.
  • the second metal pattern 320 may be spaced apart from the first metal pattern 310 in a direction parallel to the top surface of the substrate 100.
  • the second metal pattern 320 may be electrically connected to the second region 220.
  • the second metal pattern 320 may include gold (Au).
  • the second metal pattern 320 may further include an adhesive layer (not shown).
  • the adhesive layer may be disposed under the second metal pattern 320.
  • the adhesive layer may increase adhesion between the second metal pattern 320 and the second region 220.
  • the adhesive layer may include chromium (Cr).
  • the 2D semiconductor device 12 may be a pn junction diode.
  • the conductivity type of the first region 210 may be p-type, and the conductivity type of the second region 220 may be n-type.
  • the first and second metal patterns 310 and 320 may be an anode electrode and a cathode electrode, respectively.
  • the first region 210 may be p-type doped by clusters. Clusters may not damage the lattice structure of the two-dimensional transition metal chalcogenide. Therefore, the first region 210 can maintain characteristics as a two-dimensional semiconductor material. As a result, a two-dimensional transition metal chalcogenide device 12 having a p-type doped region but having properties of a two-dimensional transition metal chalcogenide compound can be provided.
  • FIG. 19 is a plan view of a two-dimensional semiconductor device according to exemplary embodiments of the present invention.
  • 20 is a cross-sectional view taken along line I-I 'in FIG. 19.
  • 21 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 18.
  • BJT npn-type bipolar junction transistor
  • the substrate 100 a two-dimensional transition metal chalcogenide compound film 200, a pair of first metal patterns 310, a second metal pattern 320, and a third metal A 2D semiconductor device 14 including a pattern 330 may be provided.
  • the substrate 100 may be substantially the same as the substrate 100 described with reference to FIGS. 1 to 3A.
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may include a first region 210, a second region 222, and a third region 224.
  • the first region 210 may be substantially the same as the first region 210 described with reference to FIGS. 1 to 3A except for its shape.
  • the second region 222, the first region 210, and the third region 224 may be arranged along the first direction D1 parallel to the upper surface of the substrate 100.
  • the first region 210 may have a narrowing width as it approaches the center of the first region 210 along the first direction D1.
  • the width of the first region 210 may be the size of the first region 210 crossing the first direction D1 but along the second direction D2 parallel to the upper surface of the substrate 100.
  • the first region 210 may have a pair of protruding regions 212 protruding from the sidewall of the first region 210 along the second direction D2.
  • the first metal patterns 310 may be provided in pairs. A pair of first metal patterns 310 may be provided on each pair of protruding regions 212. The pair of first metal patterns 310 may be spaced apart from each other along the second direction D2.
  • the conductivity type of the first region 210 may be p-type. Accordingly, the first region 210 may have a base function of an npn-type BJT.
  • the pair of first metal patterns 310 may be base electrodes.
  • Each of the second and third regions 222 and 224 may be substantially the same as the second region 220 described with reference to FIGS. 1 to 3A except for its location and shape.
  • the second and third regions 222 and 224 may be spaced apart from each other along the first direction D1 with the first region 210 therebetween.
  • the second and third metal patterns 320 and 330 may be provided on the second and third regions 222 and 224, respectively.
  • the second region 222 may have a narrower width between the first region 210 and the second metal pattern 320 as it approaches the first region 210 along the first direction D1.
  • the third region 224 may have a narrower width between the first region 210 and the third metal pattern 330 as it gets closer to the first region 210 along the first direction D1.
  • each of the second and third regions 222 and 224 may be n-type. Accordingly, the second and third regions 222 and 224 may each have an emitter and collector (or collector and emitter) function of the npn-type BJT.
  • the second and third metal patterns 320 and 330 may be emitter electrodes and collector electrodes, respectively. Accordingly, a BJT including a two-dimensional semiconductor can be provided.
  • first region 210, the second region 222, and the third region 224 described above are exemplary and should not be interpreted limitedly.
  • the shapes and arrangement relations of the first region 210, the second region 222, and the third region 224 may be any form as long as an npn-type BJT can be implemented.
  • the first region 210 may be p-type doped by a cluster. Therefore, the first region 210 can maintain characteristics as a two-dimensional semiconductor material. As a result, a two-dimensional transition metal chalcogenide device 14 having a p-type doped region but having properties of a two-dimensional transition metal chalcogenide compound can be provided.
  • FIG. 22 is a plan view of a two-dimensional semiconductor device according to exemplary embodiments of the present invention.
  • 23 is a cross-sectional view taken along line I-I 'in FIG. 22.
  • substantially the same content as described with reference to FIGS. 1 to 3A may not be described.
  • a two-dimensional semiconductor device including a substrate 100, a two-dimensional transition metal chalcogenide compound film 200, a first metal pattern 310, and a second metal pattern 320 ( 16) may be provided.
  • the substrate 100 may be substantially the same as the substrate 100 described with reference to FIGS. 1 to 3A.
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may have a disk shape.
  • the 2D transition metal chalcogen compound film 200 may include substantially the same material as the 2D transition metal chalcogen compound film 200 described with reference to FIGS. 1 to 3A.
  • the two-dimensional transition metal chalcogenide film 200 may include a first region 210 and a second region 220.
  • the first region 210 and the second region 220 may be substantially the same as the first region 210 and the second region 220 described with reference to FIGS. 1 to 3A except for their shapes and positions. You can.
  • the first region 210 and the second region 220 may be radially arranged.
  • the second region 220 may have a ring shape surrounding the first region 210.
  • the first metal pattern 310 may be provided on the first region 210.
  • the first metal pattern 310 may be electrically connected to the first region 210.
  • the first metal pattern 310 may directly contact the first region 210.
  • the second metal pattern 320 may be provided on the second region 220.
  • the second metal pattern 320 may extend along the border of the second region 220.
  • the second metal pattern 320 may be electrically connected to the second region 220.
  • the first and second metal patterns 310 and 320 may include substantially the same material as the metal pattern 300 described with reference to FIGS. 1 to 3A.
  • the two-dimensional semiconductor device 16 may include a disk-type pn junction diode (or Corbino disk).
  • the conductivity type of the first region 210 may be p-type, and the conductivity type of the second region 220 may be n-type.
  • the first and second metal patterns 310 and 320 may be an anode electrode and a cathode electrode, respectively.
  • the first region 210 may be p-type doped by clusters. Therefore, the first region 210 can maintain characteristics as a two-dimensional semiconductor material. As a result, a two-dimensional transition metal chalcogenide device 16 having a p-type doped region but having properties of a two-dimensional transition metal chalcogenide compound can be provided.
  • R12, R23, R34 1_2 region, 2_3 region, 3_4 region

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Abstract

본 발명에 따른 2차원 반도체는, 제1 영역 및 상기 제1 영역에 인접하는 제2 영역을 갖는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막을 포함하되, 상기 제1 영역은 제1 도전형을 갖고, 상기 제2 영역은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지며, 상기 제1 영역은 산소 원자가 도핑되어 있다.

Description

2차원 반도체, 이를 P형 도핑하는 방법, 및 이를 포함하는 2차원 반도체 장치
본 발명은 2차원 반도체, 이를 p형 도핑하는 방법, 및 이를 포함하는 2차원 반도체 장치에 관한 것이다.
2차원 반도체는 뛰어난 전기적, 기계적, 광학적 특성을 지니는 물질로, 유연한 소자 및 투명 소자에 적용 가능한 차세대 반도체 물질로 각광받고 있다. 예를 들어, 2차원 반도체를 위한 2차원 반도체를 유용한 전자 소자로 이용하기 위해, 2차원 반도체를 도핑하는 공정이 수행되어야 한다.
일반적으로, 반도체 막을 도핑하는 공정은 반도체 막에 불순물을 직접 주입하는 것 또는 반도체 막을 불순물과 함께 증착하는 것을 포함한다. 하지만, 2차원 반도체에 종래의 도핑 공정을 적용할 경우, 2차원 반도체 물질이 손상될 수 있다. 따라서 2차원 반도체를 도핑하는 새로운 방법이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 p형 도핑된 영역을 포함하는 2차원 반도체를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 2차원 반도체를 p형 도핑하는 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 p형 도핑 2차원 반도체를 포함하는 2차원 반도체 장치를 제공하는 것에 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 개시에 한정되지 않는다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체는, 제1 영역 및 상기 제1 영역에 인접하는 제2 영역을 갖는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막을 포함하되, 상기 제1 영역은 제1 도전형을 갖고, 상기 제2 영역은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지며, 상기 제1 영역은 산소 원자가 도핑되어 있을 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체를 도핑하는 방법은, 기판 상에 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막을 형성하는 단계; 상기 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막 상에 메탈 패턴을 형성하는 단계; 상기 메탈 패턴을 특정 원소의 기체분위기에 노출시키는 단계; 및 상기 메탈 패턴에만 선택적으로 광원을 조사하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, p형 도핑된 영역을 포함하는 2차원 반도체 및 2차원 반도체 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 2차원 반도체의 전기적, 기계적, 그리고 광학적 특성을 열화시키지 않는 2차원 반도체의 도핑 방법이 제공될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 개시에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체 장치의 평면도이다.
도 2a는 도 1의 I-I’선에 따른 단면도이다.
도 2b는 도 1의 II’-II’선에 따른 단면도이다.
도 3a은 본 발명의 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막의 산소 원자 농도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 2H-MoTe 2에 레이저를 조사하였을 때 라만 피크(Raman peaks)를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체를 도핑하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체를 도핑하는 방법을 설명하기 위한 도 1의 I-I’선에 대응하는 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 실험예에 따라 MoTe 2 패턴의 상면을 잘라내는 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 MoTe 2 패턴의 제2 영역의 STM 지형도(STM topography)를 나타낸 이미지이다.
도 11은 MoTe 2 패턴의 제1 영역의 STM 지형도를 나타낸 이미지이다.
도 12a는 제3 결함(Type C)의 dI/dV를 나타낸 것이다.
도 12b는 제3 결함(Type C)을 일직선으로 가로지르며 측정한 dI/dV 커브를 나타낸 것이다.
도 13는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체에 대한 실험예를 설명하기 위한 평면도이다.
도 14은 도 13의 I-I’선에 따른 단면도이다.
도 15a는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 2차원 반도체 장치의 드레인/소스 전압(Vb)-드레인 전류(Id) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15b는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 2차원 반도체 장치의 게이트/소스 전압(Vg)-드레인 전류(Id) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16a 및 도 16b는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 1_2영역의 레이저 조사 시간에 따른 드레인/소스 전압(Vb)-드레인 전류(Id) 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 16c는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 1_2영역의 레이저 조사 시간에 따른 게이트/소스 전압(Vg)-드레인 전류(Id) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16d는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 1_2영역의 레이저 조사 시간에 따른 캐리어 농도와 면저항 특성을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체 장치의 평면도이다.
도 18는 도 17의 I-I’선에 따른 단면도이다.
도 19는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체 장치의 평면도이다.
도 20은 도 19의 I-I’선에 따른 단면도이다.
도 21은 도 18의 II-II’선에 따른 단면도이다.
도 22은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체 장치의 평면도이다.
도 23는 도 22의 I-I’선에 따른 단면도이다.
본 발명의 기술적 사상의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명 기술적 사상은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 기술적 사상의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상의 이상적인 예시도인 사시도, 정면도, 단면도 및/또는 개념도를 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 다양한 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상의 바람직한 실시예들을 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체 장치의 평면도이다. 도 2a는 도 1의 I-I’선에 따른 단면도이다. 도 2b는 도 1의 II’-II’선에 따른 단면도이다.
도 1, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기판(100), 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200), 및 메탈 패턴(300)을 포함하는 2차원 반도체 장치(10)가 제공될 수 있다. 기판(100)은 차례로 적층된 반도체 층(미도시) 및 절연층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 실리콘(Si) 층 및 상기 실리콘 층 상에 제공된 SiO2 층을 포함할 수 있다.
2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 기판(100) 상에 제공될 수 있다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 2H-MoTe 2를 포함할 수 있다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 단일층 구조 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)의 두께는 약 6 옴스트롱(Å) 내지 약 30 옴스트롱(Å)일 수 있다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)의 도전형은 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200) 내의 전이금속 칼코겐화합물에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)이 MoS 2, MoSe 2, MoTe 2, WSe 2, 또는 WTe 2를 포함하는 경우, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)의 도전형은 n형일 수 있다. 다른 예에서, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)이 WS 2, ZrS 2, ZrSe 2, HfS 2, HfSe 2, 또는 NbSe 2를 포함하는 경우, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)의 도전형은 p형일 수 있다.
2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 제1 영역(210) 및 제2 영역(220)을 포함할 수 있다. 제1 영역(210)은 클러스터들(clusters)(미도시) 및 공공들(vacancies)(미도시)을 포함할 수 있다. 제1 영역(210)의 클러스터들 및 공공들은, 후술할 도 11에 나타난 제3 결함(Type C) 및 제2 결함(Type B)를 통해 보다 자세히 설명한다.
클러스터들의 각각은 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200) 외부의 원소를 포함하는 원소 뭉치일 수 있다. 원소 뭉치는 원소들의 집합일 수 있다. 클러스터는 산소 원자를 포함할 수 있다. 클러스터 내의 산소 원자는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200) 외부(예를 들어, 대기)에서 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200) 내로 유입된 것일 수 있다.
일 예로, 클러스터는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200) 내에 산소 원자들이 응집되어 있는 영역일 수 있다. 다른 예로, 클러스터는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200) 내에 산소 원자들이 응집되어 형성된 구조체 또는 입자(particle)일 수 있다. 또 다른 예로, 클러스터는 산소가 전이금속 칼코겐화합물과 반응하여 형성된 구조체 또는 입자일 수 있다.
클러스터들은 전자 억셉터(electron acceptor)일 수 있다. 제1 영역(210) 내의 클러스터들이 전자를 수용하기 때문에, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)의 제1 영역(210)은 p형을 가질 수 있다. 다시 말하면, 클러스터들은 p형의 불순물로 기능할 수 있다. 따라서, 제1 영역(210)의 p형 도핑 농도는 클러스터들의 밀도에 비례할 수 있다. 클러스터들의 밀도는 구배를 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 클러스터들의 밀도는 메탈 패턴(300) 아래에서 가장 높고, 메탈 패턴(300)으로부터 멀수록 낮을 수 있다. 이에 따라, p형 도핑 농도는 메탈 패턴(300) 아래에서 가장 높고, 메탈 패턴(300)으로부터 멀수록 낮을 수 있다.
도 3a은 본 발명의 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막의 산소 원자 농도 프로파일을 나타낸 그래프이다. 도 3a을 참조하면, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)의 산소 원자의 농도(즉, atomic percent)는 메탈 패턴(300) 아래에서 가장 높고, 메탈 패턴(300)으로부터 멀수록 감소할 수 있다. 산소 원자의 농도는 제1 영역(210)에서 제2 영역(220)으로 갈수록 감소할 수 있다. 제2 영역(220)에서 산소 원자의 농도는 실질적으로 0에 수렴할 수 있다. 도 3a에 나타난 산소 원자의 농도 프로파일은, 앞서 설명한 클러스터들의 밀도 프로파일과 실질적으로 일치할 수 있다. 이로써, 클러스터는 산소 원자와 밀접한 관련이 있으며, 예를 들어 클러스터는 산소 원자를 포함할 수 있다.
각각의 공공은 전이금속 칼코겐화합물의 격자 내에서 전이금속 원자가 빠져서 형성된 것일 수 있다. 전이금속 원자와 칼코겐 원자는 서로 결합되어 격자 구조를 형성할 수 있다. 격자 내의 전이금속 원자가 빠져나가면서 공공이 형성될 수 있다. 공공들의 밀도는 구배를 가질 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 공공들의 밀도는 메탈 패턴(300) 아래에서 가장 높고, 메탈 패턴(300)으로부터 멀수록 낮을 수 있다.
클러스터 및 공공 결함은 제2 영역(220) 내에 제공되지 않을 수 있다. 제2 영역(220)의 도전형은 제2 영역(220) 내의 전이금속 칼코겐화합물의 종류에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 영역(220)이 MoS 2, MoSe 2, MoTe 2, WSe 2, 또는 WTe 2를 포함하는 경우, 제2 영역(220)의 도전형은 n형일 수 있다. 다른 예에서, 제2 영역(220)이 WS 2, ZrS 2, ZrSe 2, HfS 2, HfSe 2, 또는 NbSe 2를 포함하는 경우, 제2 영역(220)의 도전형은 p형일 수 있다.
메탈 패턴(300)은 제1 영역(210) 상에 제공될 수 있다. 메탈 패턴(300)은 제1 영역(210)에 직접 접할 수 있다. 메탈 패턴(300)은 제1 영역(210)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 메탈 패턴(300)은 금(Au)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 메탈 패턴(300)은 접착층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 접착층은 메탈 패턴(300)의 하부에 배치될 수 있다. 접착층은 메탈 패턴(300)과 제1 영역(210) 사이의 접착력을 높일 수 있다. 예를 들어, 접착층은 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
일반적인 도핑 공정(예를 들어, 이온 임플란트 공정)을 이용하여 2차원 반도체를 도핑할 경우, 주입되는 이온들에 의해 2차원 반도체의 격자 구조가 손상되어, 2차원 반도체로서의 특성을 잃을 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 제1 영역(210)은 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200) 외부로부터 유입된 클러스터들에 의해 p형 도핑될 수 있다. 클러스터들은 제1 영역(210) 내의 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 격자 구조를 손상시키지 않으므로, 제1 영역(210) 내의 2차원 전이금속 칼코겐화합물은 2차원 반도체로서의 특성을 유지할 수 있다. 결과적으로, p형 도핑된 영역을 갖되, 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 갖는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)이 제공될 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체를 도핑하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 5 내지 도 8은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체를 도핑하는 방법을 설명하기 위한 도 1의 I-I’선에 대응하는 단면도들이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 기판(100) 상에 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)이 형성될 수 있다.(S10) 기판(100)은 차례로 적층된 반도체 층(미도시) 및 절연층(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 실리콘(Si) 층 및 상기 실리콘 층 상에 제공된 SiO2 층을 포함할 수 있다.
2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)을 형성하는 것은 물리적인 박리 공정(mechanical exfoliation) 또는 화학 기상 증착 공정(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 2차원 전이금속 칼코겐화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 2H-MoTe 2를 포함할 수 있다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 단일층 구조 또는 다층 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 약 6 옴스트롱(Å) 내지 약 30 옴스트롱(Å)의 두께로 형성될 수 있다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 상기 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)을 패터닝하여, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 패턴(202)이 형성될 수 있다.(S20) 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)을 패터닝하는 공정은 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200) 상에 제1 포토레지스트 패턴(PR1)을 형성하는 것 및 상기 제1 포토레지스트 패턴(PR1)을 식각 마스크로 이용하는 플라즈마 건식 식각 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 상기 플라즈마 건식 식각 공정에서 CF4 가스가 식각 가스로 이용될 수 있다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)의 패터닝 공정 종료 후, 제1 포토레지스트 패턴(PR1)은 제거될 수 있다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 패턴(202) 상에 메탈 패턴(300)이 형성될 수 있다.(S30) 메탈 패턴(300)을 형성하는 공정은 2차원 전이금속 칼코겐화합물 패턴(202) 상에, 개구(OP)를 갖는 제2 포토레지스트 패턴(PR2)을 형성하는 것, 제2 포토레지스트 패턴(PR2) 상에 도전 물질(미도시)을 증착하여 개구(OP)를 상기 도전 물질로 채우는 것, 및 상기 포토레지스트 패턴(PR2) 상의 도전 물질을 제거하여, 개구(OP) 내에 메탈 패턴(300)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 도전 물질을 증착하는 것은 전자빔 금속 증착 공정을 포함할 수 있다. 예를 들어, 메탈 패턴(300)은 차례로 증착된 크롬(Cr) 및 금(Au)을 포함할 수 있다. 메탈 패턴(300)을 형성한 후, 제2 포토레지스트 패턴(PR2)은 제거될 수 있다.
도 4 및 도 8을 참조하면, 메탈 패턴(300)에 레이저(400)가 조사되어, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 패턴(202)을 p형 도핑할 수 있다.(S40) 메탈 패턴(300)에 레이저(400)가 조사된 경우, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 패턴(202) 중, 레이저(400)가 조사된 부분에 인접한 영역 내에 클러스터들 및 공공들이 생성될 수 있다. 레이저(400)의 파장은 가시광 영역의 파장 범위에서 선택될 수 있다. 일 예로, 레이저(400)의 파장은 350 nm 내지 750 nm일 수 있다. 클러스터들 및 공공들이 생성되는 영역은 제1 영역(210)으로 지칭될 수 있다. 제1 영역(210), 클러스터들, 및 공공들은 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 것들과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 영역(210)은 클러스터들에 의해 p형 도핑될 수 있다
2차원 전이금속 칼코겐화합물 패턴(202) 중, 제1 영역(210)을 제외한 나머지 부분은 제2 영역(220)으로 지칭될 수 있다. 제2 영역(220)은 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 영역(220)은 p형 도핑되지 않은 영역일 수 있다.
일반적인 도핑 공정(예를 들어, 이온 임플란트 공정)을 이용하여 2차원 반도체를 도핑할 경우, 주입되는 이온들에 의해 2차원 반도체의 격자 구조가 손상되어, 2차원 반도체로서의 특성을 잃을 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 제1 영역(210)은 메탈 패턴(300)에 조사된 레이저(400)에 의해 생성된 클러스터들에 의해 p형 도핑될 수 있다. 클러스터들은 제1 영역(210) 내의 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 격자 구조를 손상시키지 않으므로, 제1 영역(210) 내의 2차원 전이금속 칼코겐화합물은 2차원 반도체로서의 특성을 유지할 수 있다. 결과적으로, 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 열화시키지 않는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)의 p형 도핑 방법이 제공될 수 있다.
[실험예 1]
앞서 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명한 방법에 따라 p형 도핑된 2차원 반도체를 제조하였다. 도 4 내지 도 8을 다시 참조하면, SiO2/p+Si 기판(100) 상에 20nm 두께로 2H-MoTe 2 패턴(202)을 형성하였다. 2H-MoTe 2 패턴(202) 상에 포토레지스트 패턴(PR2)을 형성한 후, 개구(OP) 내에 1nm 두께의 크롬(Cr)과 20nm 두께의 금(Au)을 차례로 증착하여 메탈 패턴(300)을 형성하였다. 포토레지스트 패턴(PR2)을 제거한 후, 메탈 패턴(300)에 레이저(400)가 조사되었다. 레이저(400) 조사는 대기(atmosphere) 분위기에서 수행되었다. 레이저(400)의 파장은 532nm였고, 레이저의 출력은 20 mW였다.
제조된 2차원 반도체에 STM (scanning tunneling microscopy) 및 STS (scanning tunneling spectroscopy)를 수행하였다. 초고 진공 조건(ultra-high vacuum condition)의 STM 챔버에 제조된 2차원 반도체를 넣고, 2H-MoTe 2 패턴(202)의 상부를 잘라내었다 (도 9 참조). 2H-MoTe 2 패턴(202)의 상부를 자른 이유는, 2H-MoTe 2 패턴(202)의 표면에만 도핑이 이루어진 것이 아니고 벌크하게 도핑이 이루어졌음을 확인하기 위함이다. 상부가 잘려진 2H-MoTe 2 패턴(202)에 STM 조사(investigation)를 수행하였다.
2H-MoTe 2 패턴(202)은 레이저(400)가 조사된 부분에 인접하는 제1 영역(210) 및 레이저 레이저(400)의 영향을 받지 않은 제2 영역(220)을 갖는다. 제2 영역(220)은 깨끗한 MoTe 2 (pristine MoTe 2)이다.
먼저, 제2 영역(220)의 STM 지형도(STM topography)를 도 10에 나타내었다. 깨끗한 MoTe 2 상에서 원자적으로 분해된 격자 결함이 관찰되었다. 상기 격자 결함은 밝게 보이는 부분이며, Te-Mo-Te 삼각 프리즘 내에서 Te 원자의 위치에 대응한다. 이를 제1 결함(Type A)으로 지칭하였다. 제1 결함(Type A)은 칼코겐인 Te 원자의 공공(vacancy)이다. 칼코겐 공공인 제1 결함(Type A)은 2차원 전이금속 칼코겐화합물이 갖는 고유 결함(intrinsic defect)이다.
제1 영역(210)의 STM 지형도(STM topography)를 도 11에 나타내었다. 제1 영역(210)의 STM 지형도에서는, 제2 영역(220)의 STM 지형도에서 관측된 제1 결함(Type A) 뿐만 아니라 제2 결함(Type B) 및 제3 결함(Type C)이 추가로 관측되었다.
제2 결함(Type B)은 Te 원자 사이트에 인접하는 Mo 원자 사이트에 위치한 구멍(pit)이다. 즉, 제2 결함(Type B)은 전이금속인 Mo 원자의 공공이다. 한편 제2 결함(Type B)에서 측정된 dI/dV (differential conductance)는 제1 결함(Type A)에서 측정된 dI/dV와 유사하다. 따라서, 제2 결함(Type B)은 본 발명의 도판트로 기능하지 않는 것으로 판단된다.
한편, 제3 결함(Type C)은 커다란 주름 형태(large surrounding corrugation)의 클러스터로서, 특별한 원자 구조적 특징은 관측되지 않았다. 도 12a는 제3 결함(Type C)의 dI/dV를 나타낸 것이다. 도 12b는 제3 결함(Type C)을 일직선으로 가로지르며 측정한 dI/dV 커브를 나타낸 것이다. 도 12a를 참조하면, 제3 결함(Type C)의 dI/dV는, 비어있는 상태(unoccupied state)로 ~0.5 eV만큼의 실질적인 전위 변화를 나타내었다. 도 12b를 참조하면, CBM(conduction band minimum)- VBM(valence band maximum) 포지션과 밴드 가장자리 꼬리의 국소 변이가 원자 규모에서 관측되었다. 이와 같은 결과들은, 제3 결함(Type C)이 전자 억셉터(electron acceptor)임을 강하게 뒷받침한다. 제3 결함(Type C)은 MoTe 2 격자 내에서 위치가 고정된 클러스터이다.
깨끗한 MoTe 2에서는 존재하지 않아야 할 산소 원자가 본 발명에 따라 제조된 2차원 반도체 내에 포함되어 있음을 확인하였다. 제조된 2차원 반도체에 대한 EDS (Energy dispersive X-ray spectroscopy) 분석 결과는 앞서 설명한 도 3a에 나타나 있다. 도 3a을 다시 참조하면, 산소 원자의 농도는 제1 영역(210)에서 제2 영역(220)으로 갈수록 감소함을 확인하였다.
도 8에 나타난 바와 같이, 대기 분위기에서 레이저(400)를 조사하면서 대기 내의 산소 분자가 2H-MoTe 2 패턴(202)으로 확산될 수 있다. 이로써 도 3a에 나타난 산소 원자의 농도 프로파일이 발생한 것으로 판단된다. 한편, 제2 결함(Type B) 및 제3 결함(Type C) 역시 제1 영역(210)에서 제2 영역(220)으로 갈수록 개수(또는 밀도)가 감소한다. 즉, 제2 결함(Type B) 및 제3 결함(Type C)의 밀도 프로파일과 도 3a의 산소 원자의 농도 프로파일이 일치한다.
결과적으로, 국부적인 레이저 조사는 MoTe 2 격자 내에 Mo 공공을 생성하고, 이어서 대기로부터 확산된 산소 원자에 의해 형성된 산소 클러스터(또는 산소 원자들)가 온-사이트 화학 흡착된다고 추정할 수 있다. 화학 흡착된 산소 클러스터(또는 산소 원자들)는 p형 도펀트로 작용한다고 볼 수 있다.
도 3b는 2H-MoTe 2에 레이저를 조사하였을 때 라만 피크(Raman peaks)를 나타낸 것이다. 도 3b를 참조하면, 2H-MoTe 2에 레이저가 조사되었을 경우, Mo와 산소(O)가 결합하여 MO2 결합을 형성함을 확인할 수 있다. 결과적으로, 본 발명에 따른 레이저 조사는 산소 원자가 도핑되는 효과를 발생시킬 수 있다.
[실험예 2]
도 13은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체에 대한 실험예를 설명하기 위한 평면도이다. 도 14은 도 13의 I-I’선에 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 4 내지 도 8을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 13 및 도 14을 참조하면, SiO2/p+Si 기판(100)이 준비되었다. SiO2/p+Si 기판(100) 상에 20 nm 두께로 2H-MoTe 2 필름을 형성하였다. 2H-MoTe 2 필름 상에 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후, CF4 건식 플라즈마 식각 공정을 수행하여 2H-MoTe 2 패턴(202)을 형성하였다. 패터닝된 2H-MoTe 2 패턴(202) 상에 4개의 개구들(미도시)을 갖는 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한 후, 상기 개구들 내에 1 나노미터(nm) 두께의 크롬(Cr)과 60 나노미터(nm) 두께의 금(Au)을 차례로 증착하여 제1 내지 제4 패턴들(301, 302, 303, 304)을 형성하였다. 포토레지스트 패턴을 제거한 후, 제1 및 제2 패턴들(301, 302)에 레이저가 조사되었다. 레이저의 파장은 532 나노미터(nm)였고, 레이저의 출력은 26 밀리와트(mW)였고, 레이저의 직경은 1 마이크로미터(㎛) 였다. 제3 및 제4 패턴들(303, 304)엔 레이저가 조사되지 않았다. 제1 및 제2 패턴들(301, 302) 사이의 2H-MoTe 2 패턴(202)은 1_2 영역(R12)으로 지칭되었다. 1_2 영역(R12)의 도전형은 p형이 이었다. 제2 및 제3 패턴들(302, 303) 사이의 2H-MoTe 2 패턴(202)은 2_3 영역(R23)으로 지칭되었다. 2_3 영역(R23)의 도전형은 제2 패턴(302)에 인접한 부분에서 p형이었고, 제3 패턴(303)에 인접한 부분에서 n형이었다. 제3 및 제4 패턴들(303, 304) 사이의 2H-MoTe 2 패턴(202)은 3_4 영역(R34)으로 지칭되었다. 3_4 영역(R34)의 도전형은 n형이었다. 기판(100)의 바닥면 상에 백 게이트 전극(BGE)이 제공되었다.
도 15a는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 2차원 반도체 장치의 드레인/소스 전압(Vb)-드레인 전류(Id) 특성을 나타내는 그래프이다. 도 15b는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 2차원 반도체 장치의 게이트/소스 전압(Vg)-드레인 전류(Id) 특성을 나타내는 그래프이다. 여기서, 백 게이트 전극(BGE)이 게이트 전극으로 사용되었고, 제1 내지 제4 패턴들(301, 302, 303, 304)은 소스 전극 및 드레인 전극으로 사용되었다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 1_2영역(R12)은 p형 반도체의 특성을 보였고, 2_3영역(R23)은 pn접합의 특성을 보였고, 그리고 3_4영역(R34)은 n형 반도체의 특성을 보였다.
도 16a 및 도 16b는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 1_2영역의 레이저 조사 시간에 따른 드레인/소스 전압(Vb)-드레인 전류(Id) 특성을 나타내는 그래프들이다. 도 16c는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 1_2영역의 레이저 조사 시간에 따른 게이트/소스 전압(Vg)-드레인 전류(Id) 특성을 나타내는 그래프이다. 도 16d는 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 1_2영역의 레이저 조사 시간에 따른 캐리어 농도와 면저항 특성을 나타내는 그래프이다. 레이저는 90초까지 조사되었고, 도 16a 내지 도 16d에 도시된 그래프들은 10초 간격으로 기록되었다.
도 16a 내지 도 16d를 참조하면, 도 13 및 도 14을 참조하여 설명된 1_2영역(R12)은 초기엔 n형 반도체 특성을 보였고, 레이저의 조사 시간이 길어질수록 p형 반도체 특성을 보였다. 이에 따라, 상기 1_2영역(R12)은 p형 도핑되었음이 확인되었다.
도 17은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체 장치의 평면도이다. 도 18는 도 17의 I-I’선에 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 17 및 도 18를 참조하면, 기판(100), 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200), 제1 메탈 패턴(310), 및 제2 메탈 패턴(320)을 포함하는 2차원 반도체 장치(12)가 제공될 수 있다. 기판(100), 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200), 및 제1 메탈 패턴(310)은 각각 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 기판(100), 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200), 및 메탈 패턴(300)과 실질적으로 동일할 수 있다.
제2 메탈 패턴(320)은 제2 영역(220) 상에 제공될 수 있다. 제2 메탈 패턴(320)은 제1 메탈 패턴(310)으로부터 기판(100)의 상면에 평행한 방향으로 이격될 수 있다. 제2 메탈 패턴(320)은 제2 영역(220)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 메탈 패턴(320)은 금(Au)을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예들에서, 제2 메탈 패턴(320)은 접착층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 접착층은 제2 메탈 패턴(320)의 하부에 배치될 수 있다. 접착층은 제2 메탈 패턴(320)과 제2 영역(220) 사이의 접착력을 높일 수 있다. 예를 들어, 접착층은 크롬(Cr)을 포함할 수 있다.
2차원 반도체 장치(12)는 pn접합 다이오드일 수 있다. 제1 영역(210)의 도전형은 p형이고, 제2 영역(220)의 도전형은 n형일 수 있다. 제1 및 제2 메탈 패턴들(310, 320)은 각각 애노드(anode) 전극 및 캐소드(cathode) 전극일 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 제1 영역(210)은 클러스터들에 의해 p형 도핑될 수 있다. 클러스터들은 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 격자 구조를 손상시키지 않을 수 있다. 따라서, 제1 영역(210)은 2차원 반도체 물질로서의 특성을 유지할 수 있다. 결과적으로, p형 도핑된 영역을 갖되, 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 갖는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 장치(12)가 제공될 수 있다.
도 19는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체 장치의 평면도이다. 도 20은 도 19의 I-I’선에 따른 단면도이다. 도 21은 도 18의 II-II’선에 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위하여, 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다. 설명의 간결함을 위해, 이하에서, npn형 바이폴라 정션 트랜지스터(이하, BJT)에 대해 설명된다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 실시예로부터 pnp형 BJT를 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
도 19 내지 도 21을 참조하면, 기판(100), 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200), 한 쌍의 제1 메탈 패턴들(310), 제2 메탈 패턴(320), 및 제3 메탈 패턴(330)을 포함하는 2차원 반도체 장치(14)가 제공될 수 있다. 기판(100)은 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 기판(100)과 실질적으로 동일할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 것과 달리, 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 제1 영역(210), 제2 영역(222), 및 제3 영역(224)을 포함할 수 있다. 제1 영역(210)은 그 형태를 제외하면, 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 제1 영역(210)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 영역(222), 제1 영역(210), 및 제3 영역(224)은 기판(100)의 상면에 평행한 제1 방향(D1)을 따라 배열될 수 있다.
제1 영역(210)은 제1 방향(D1)을 따라 제1 영역(210)의 중심부에 가까워질수록 좁아지는 폭을 가질 수 있다. 제1 영역(210)의 폭은, 제1 방향(D1)에 교차하되 기판(100)의 상면에 평행한 제2 방향(D2)을 따른 제1 영역(210)의 크기일 수 있다. 제1 영역(210)은 제1 영역(210)의 측벽으로부터 제2 방향(D2)을 따라 돌출된 한 쌍의 돌출 영역들(212)을 가질 수 있다.
제1 메탈 패턴(310)은 한 쌍으로 제공될 수 있다. 한 쌍의 제1 메탈 패턴들(310)은 각각 한 쌍의 돌출 영역들(212) 상에 제공될 수 있다. 한 쌍의 제1 메탈 패턴들(310)은 서로 제2 방향(D2)을 따라 이격될 수 있다. 제1 영역(210)의 도전형은 p형일 수 있다. 이에 따라, 제1 영역(210)은 npn형 BJT의 베이스(base) 기능을 가질 수 있다. 한 쌍의 제1 메탈 패턴들(310)은 베이스 전극들일 수 있다.
제2 및 제3 영역들(222, 224)의 각각은 그 위치 및 형태를 제외하면, 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 제2 영역(220)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제2 및 제3 영역들(222, 224)은 제1 영역(210)을 사이에 두고 제1 방향(D1)을 따라 서로 이격될 수 있다. 제2 및 제3 메탈 패턴들(320, 330)은 각각 제2 및 제3 영역들(222, 224) 상에 제공될 수 있다. 제2 영역(222)은 제1 영역(210)과 제2 메탈 패턴(320) 사이에서, 제1 방향(D1)을 따라 제1 영역(210)에 가까워질수록 좁아지는 폭을 가질 수 있다. 제3 영역(224)은 제1 영역(210)과 제3 메탈 패턴(330) 사이에서, 제1 방향(D1)을 따라 제1 영역(210)에 가까워질수록 좁아지는 폭을 가질 수 있다. 제2 및 제3 영역들(222, 224)의 각각의 도전형은 n형일 수 있다. 이에 따라, 제2 및 제3 영역들(222, 224)은 각각 npn형 BJT의 이미터(emitter) 및 콜렉터(collector)(또는 콜렉터 및 이미터) 기능을 가질 수 있다. 제2 및 제3 메탈 패턴들(320, 330)은 각각 이미터 전극 및 콜렉터 전극일 수 있다. 이에 따라, 2차원 반도체를 포함하는 BJT가 제공될 수 있다.
다만, 상기 개시된 제1 영역(210), 제2 영역(222), 및 제3 영역(224)의 형태는 예시적인 것이므로, 한정적으로 해석되어서는 안 된다. 제1 영역(210), 제2 영역(222), 및 제3 영역(224)의 형상들 및 배치 관계는 npn형 BJT를 구현할 수 있는 것이라면 어떤 형태든 가능할 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 제1 영역(210)은 클러스터에 의해 p형 도핑될 수 있다. 따라서, 제1 영역(210)은 2차원 반도체 물질로서의 특성을 유지할 수 있다. 결과적으로, p형 도핑된 영역을 갖되, 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 갖는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 장치(14)가 제공될 수 있다.
도 22은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 2차원 반도체 장치의 평면도이다. 도 23는 도 22의 I-I’선에 따른 단면도이다. 설명의 간결함을 위해, 도 1 내지 도 3a를 참조하여 설명된 것과 실질적으로 동일한 내용은 설명되지 않을 수 있다.
도 22 및 도 23를 참조하면, 기판(100), 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200), 제1 메탈 패턴(310), 및 제2 메탈 패턴(320)을 포함하는 2차원 반도체 장치(16)가 제공될 수 있다. 기판(100)은 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 기판(100)과 실질적으로 동일할 수 있다.
2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 디스크 형상을 가질 수 있다. 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다.
2차원 전이금속 칼코겐화합물 막(200)은 제1 영역(210) 및 제2 영역(220)을 포함할 수 있다. 제1 영역(210) 및 제2 영역(220)은 그 형상 및 위치를 제외하면, 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 제1 영역(210) 및 제2 영역(220)과 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 영역(210) 및 제2 영역(220)은 방사형으로 배열될 수 있다. 제2 영역(220)은 제1 영역(210)을 둘러싸는 고리 형상을 가질 수 있다.
제1 메탈 패턴(310)은 제1 영역(210) 상에 제공될 수 있다. 제1 메탈 패턴(310)은 제1 영역(210)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 메탈 패턴(310)은 제1 영역(210)과 직접 접할 수 있다.
제2 메탈 패턴(320)은 제2 영역(220) 상에 제공될 수 있다. 제2 메탈 패턴(320)은 제2 영역(220)의 테두리를 따라 연장될 수 있다. 제2 메탈 패턴(320)은 제2 영역(220)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 메탈 패턴들(310, 320)은 도 1 내지 도 3a을 참조하여 설명된 메탈 패턴(300)과 실질적으로 동일한 물질을 포함할 수 있다.
2차원 반도체 장치(16)는 디스크형 pn접합 다이오드(또는 코르비노 소자(Corbino disk))를 포함할 수 있다. 제1 영역(210)의 도전형은 p형일 수 있고, 제2 영역(220)의 도전형은 n형일 수 있다. 제1 및 제2 메탈 패턴들(310, 320)은 각각 애노드 전극 및 캐소드 전극일 수 있다.
본 발명의 개념에 따른 제1 영역(210)은 클러스터들에 의해 p형 도핑될 수 있다. 따라서, 제1 영역(210)은 2차원 반도체 물질로서의 특성을 유지할 수 있다. 결과적으로, p형 도핑된 영역을 갖되, 2차원 전이금속 칼코겐화합물의 특성을 갖는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 장치(16)가 제공될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상의 실시예들에 대한 이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상의 설명을 위한 예시를 제공한다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 이상의 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.
[부호의 설명]
10, 12, 14, 16 : 2차원 반도체 장치
100 : 기판
200 : 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막
202 : 2차원 전이금속 칼코겐화합물 패턴
210 : 제1 영역
220, 222 : 제2 영역
224 : 제3 영역
300 : 메탈 패턴
310, 320, 330 : 제1 내지 제3 메탈 패턴들
301, 302, 303, 304 : 제1 내지 제4 패턴들
400 : 레이저
BGE : 백 게이트 전극
R12, R23, R34 : 1_2 영역, 2_3 영역, 3_4 영역

Claims (12)

  1. 제1 영역 및 상기 제1 영역에 인접하는 제2 영역을 갖는 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막을 포함하되,
    상기 제1 영역은 제1 도전형을 갖고, 상기 제2 영역은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 가지며,
    상기 제1 영역은 산소 원자가 도핑되어 있는 2차원 반도체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막의 산소 원자의 농도는, 상기 제1 영역에서 상기 제2 영역으로 갈수록 감소하는 2차원 반도체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역은 산소 원자가 응집된 클러스터를 포함하고,
    상기 클러스터는 전자 억셉터인 2차원 반도체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영역은 전이금속 원자가 빠져서 형성된 공공을 더 포함하는 2차원 반도체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역의 상기 제1 도전형은 p형이고,
    상기 제2 영역의 상기 제2 도전형은 n형인 2차원 반도체.
  6. 기판 상에 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막을 형성하는 단계;
    상기 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막 상에 메탈 패턴을 형성하는 단계;
    상기 메탈 패턴을 특정 원소의 기체분위기에 노출시키는 단계; 및
    상기 메탈 패턴에만 선택적으로 광원을 조사하는 단계;
    를 포함하는 2차원 반도체를 도핑하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광원을 조사함으로써, 상기 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막에 제1 도전형을 갖는 제1 영역이 상기 메탈 패턴 아래에 형성되는 2차원 반도체를 도핑하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막은 상기 제1 영역과 인접하는 제2 영역을 갖고,
    상기 제2 영역은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형을 갖는 2차원 반도체를 도핑하는 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 특정 원소는 산소인 2차원 반도체를 도핑하는 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 광원은 레이저인 2차원 반도체를 도핑하는 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 광원을 조사하는 동안, 상기 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막에 상기 특정 원소가 응집된 클러스터가 형성되고,
    상기 클러스터는 전자 억셉터인 2차원 반도체를 도핑하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광원을 조사하는 동안, 상기 2차원 전이금속 칼코겐화합물 막에 전이금속 원자가 빠져서 형성된 공공이 형성되는 2차원 반도체를 도핑하는 방법.
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