KR102278187B1 - 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드 - Google Patents
전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102278187B1 KR102278187B1 KR1020190139260A KR20190139260A KR102278187B1 KR 102278187 B1 KR102278187 B1 KR 102278187B1 KR 1020190139260 A KR1020190139260 A KR 1020190139260A KR 20190139260 A KR20190139260 A KR 20190139260A KR 102278187 B1 KR102278187 B1 KR 102278187B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- transition metal
- thin film
- metal chalcogenide
- substrate
- chalcogenide thin
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 105
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 94
- -1 transition metal chalcogenide Chemical class 0.000 title claims abstract description 83
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 86
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 32
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 22
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 claims abstract description 19
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 28
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 44
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 44
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 29
- 101100069231 Caenorhabditis elegans gkow-1 gene Proteins 0.000 description 27
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 13
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 9
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 8
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 8
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 8
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 7
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000000870 ultraviolet spectroscopy Methods 0.000 description 4
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 3
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 3
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 2
- 208000003028 Stuttering Diseases 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 2
- 238000001552 radio frequency sputter deposition Methods 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 2
- 229910000314 transition metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- LDXJRKWFNNFDSA-UHFFFAOYSA-N 2-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)-1-[4-[2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidin-5-yl]piperazin-1-yl]ethanone Chemical compound C1CN(CC2=NNN=C21)CC(=O)N3CCN(CC3)C4=CN=C(N=C4)NCC5=CC(=CC=C5)OC(F)(F)F LDXJRKWFNNFDSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003618 dip coating Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N molybdenum trioxide Chemical compound O=[Mo](=O)=O JKQOBWVOAYFWKG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 1
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 125000004434 sulfur atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052713 technetium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0623—Sulfides, selenides or tellurides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
- C23C14/0036—Reactive sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/58—After-treatment
- C23C14/5806—Thermal treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
- H01L31/0324—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIVBVI or AIIBIVCVI chalcogenide compounds, e.g. Pb Sn Te
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
- H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
본 발명은 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드에 관한 것으로, 상세하게는 스퍼터링 장치의 챔버 내에 전이금속 칼코게나이드를 포함하는 타겟을 형성하는 단계; 상기 챔버 내에 상기 타겟과 이격하도록 기판을 배치하는 단계; 상기 챔버 내에 불활성 가스 및 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스를 주입하는 단계; 상기 타겟 및 상기 기판 사이에 플라즈마를 형성하여, 상기 기판상에 전이금속 칼코게나이드를 증착하는 단계; 및 상기 전이금속 칼코게나이드가 증착된 기판을 열처리하는 단계;를 포함하는 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드에 관한 것이다.
Description
본 발명은 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드에 관한 것이다.
칼코게나이드란 양이온과 최소 한 가지 이상의 칼코겐 음이온과 이 결합하여 만들어진 화합물을 의미한다. 주기율표 상에서 16족에 해당하는 S, Se, Te와 같은 원소들이 주로 칼코겐 원소로 분류되며, 산소를 제외한 황, 셀레늄, 텔레늄 등이 이에 속한다. 칼코겐원소는 일반 광석에서 주로 발견할 수 있으며, 그 형태가 다양하다.
칼코게나이드 중, 최근 10년간 다양한 연구 분야에서 지속적으로 연구가 진행된 그래핀과 비슷한 구조를 지니면서도 자연적으로 반도체적 성질과 특정한 밴드갭을 가진 전이금속 디칼코게나이드에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
전이금속 디칼코게나이드 중 특히 이황화몰리브덴(MoS2)은 대표적인 전이금속 디칼코게나이드 물질로 몰리브덴(Mo)이 황(S) 사이에 개재된 샌드위치 구조로 되어 있으며 원자 간에 매우 강한 공유결합을 통해 층을 이루고 있다. 반면, 각 층들끼리는 약한 반데르발스 결합을 하는 이차원 층상구조를 갖는다. 즉, 이황화몰리브덴(MoS2)은 Mo 원자와 S 원자가 만드는 삼각형의 방향에 따라 헥사고날(Hexagonal, 2H)과 옥타헤드랄(Octahedral, 1T)로 분류할 수 있는데, 구조에 따라 반도체가 되기도 하고 도체가 되기도 한다.
최근 보고된 높은 전자 이동도와 우수한 광전 특성을 나타내는 이황화몰리브덴(MoS2) 소자들은 대부분 테이프 등을 이용한 기계적 박리 방법으로 단결정에서 분리한 플레이크(flake)들을 이용하여 제작한 것들로, 균일한 대면적 시편을 만드는 측면에 있어서 한계점을 가지고 있어 산업용 대량생산에 적용한 문제가 있다. 산업용 대량생산을 위한 대표적인 이황화몰리브덴(MoS2) 제조 방법으로는 잉크 형태의 이황화몰리브덴(MoS2)을 제조하여 기판 위에 적용하는 방법과 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용한 증착 방법이 제시된 바 있다.
잉크를 이용한 방법은 리튬 이온을 이용하기 때문에 가연성 및 희소성이 문제가 되며, 또한 형성된 이황화몰리브덴(MoS2)의 균일성 또한 낮은 문제점이 있다.
또한, 화학기상증착법(CVD)을 이용한 방법은 매우 고온이 필요할 뿐만 아니라 균일한 막을 형성하기 쉽지 않다.
이들 방법들 외에, 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0078876호에서는 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법 및 이에 의해 제조된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 이용한 트랜지스터가 개시된 바 있으며, 그 외 이황화몰리브덴(MoS2)을 비롯한 전이금속 칼코겐화합물 제조 방법으로는 전이금속 산화물(예, MoO3) 분말과 황분말을 고온으로 가열, 증발시켜서 증기가 인접하게 위치한 기판에 닿아 황화물이 증착 되도록 하는 방법, Mo등의 전이금속막에 황 증기를 공급하며 가열하여 황화시키는 방법, 그리고 기판을 (NH4)2MoS4 용액 등에 딥 코팅(dip coating)한 후 황 증기 하에서 가열하여 황화막을 제조하는 방법 등이 제안되었다.
그러나, 이러한 방법들 모두 매우 고온이 필요하며, 기판 위에 단결정이 성장한 영역과 제대로 성장하지 못한 영역이 혼재하는 등 균일한 막을 형성하기 어려워 고품질의 이황화몰리브덴(MoS2)을 제조하기 위한 기술개발이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은
전이금속 칼코게나이드 박막 및 이를 포함하는 포토 다이오드의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해,
본 발명의 일 실시 예는,
스퍼터링 장치의 챔버 내에 전이금속 칼코게나이드를 포함하는 타겟을 형성하는 단계;
상기 챔버 내에 상기 타겟과 이격하도록 기판을 배치하는 단계;
상기 챔버 내에 불활성 가스 및 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스를 주입하는 단계;
상기 타겟 및 상기 기판 사이에 플라즈마를 형성하여, 상기 기판상에 전이금속 칼코게나이드를 증착하는 단계; 및
상기 전이금속 칼코게나이드가 증착된 기판을 열처리하는 단계;를 포함하는
전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예는,
기판;
상기 기판의 일면에 배치되는 하부 전극;
상기 기판의 타면에 배치되며, 상기 제조방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막; 및
상기 박막상에 배치되는 상부 전극;을 포함하는,
포토 다이오드를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법은 결함이 적고, 균일한 두께를 갖는 고품질의 2차원의 전이금속 칼코게나이드 박막을 제조할 수 있다. 또한, 고품질의 전이금속 칼코게나이드 박막을 대면적으로 제조할 수 있다. 또한, 단일 장치로 제조할 수 있어, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 포토 다이오드는 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하며, 가시광선 검출 성능이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법을 나타내는 그림이고,
도 2 및 3은 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 X-선 광전자 분광기((XPS)로 분석한 결과 그래프이고,
도 4는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 라만 분광기로 분석한 결과 그래프이고,
도 5는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 자외선-가시광선 분광광도계로 분석한 결과 그래프이고,
도 6은 열처리 온도에 달리하여 제조한 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 라만 분광기로 비교 분석한 결과 그래프이고,
도 7은 열처리 온도에 달리하여 제조한 전이금속 칼코게나이드 박막 각각에 대해 자외선-가시광선 분광광도계로 비교 분석한 결과 그래프이고,
도 8 내지 도 12는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막의 광 감지 특성을 측정한 전압-전류 그래프이고,
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 주사탐침현미경(AFM)을 이용하여 두께를 분석한 사진이다.
도 2 및 3은 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 X-선 광전자 분광기((XPS)로 분석한 결과 그래프이고,
도 4는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 라만 분광기로 분석한 결과 그래프이고,
도 5는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 자외선-가시광선 분광광도계로 분석한 결과 그래프이고,
도 6은 열처리 온도에 달리하여 제조한 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 라만 분광기로 비교 분석한 결과 그래프이고,
도 7은 열처리 온도에 달리하여 제조한 전이금속 칼코게나이드 박막 각각에 대해 자외선-가시광선 분광광도계로 비교 분석한 결과 그래프이고,
도 8 내지 도 12는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막의 광 감지 특성을 측정한 전압-전류 그래프이고,
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막에 대해 주사탐침현미경(AFM)을 이용하여 두께를 분석한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 "포함"한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시 예는
스퍼터링 장치의 챔버 내에 전이금속 칼코게나이드를 포함하는 타겟을 형성하는 단계;
상기 챔버 내에 상기 타겟과 이격하도록 기판을 배치하는 단계;
상기 챔버 내에 불활성 가스 및 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스를 주입하는 단계;
상기 타겟 및 상기 기판 사이에 플라즈마를 형성하여, 상기 기판상에 전이금속 칼코게나이드를 증착하는 단계; 및
상기 전이금속 칼코게나이드가 증착된 기판을 열처리하는 단계;를 포함하는
전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법을 나타내는 모식도일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법은 반응성 가스가 공급되는 스퍼터링 장치를 이용하여 2차원의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 제조하는 방법일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따라 제조되는 전이금속 칼코게나이드 박막은 Ti, Hr,V, Nb, Ta, Mo, W, Tc 및 Re 중 적어도 하나의 전이금속(M)을 포함하고, S, Se 및 Te 중 적어도 하나의 칼코겐 원소(X)를 포함하며, MX2로 표시되는 2차원의 전이금속 디칼코게나이드 박막일 수 있다.
본 발명의 제조방법은 대면적의 2차원의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 고품질로 제조할 수 있다. 이에, 제조한 2차원의 전이금속 디칼코게나이드 박막을 광소자(photonics), 웨어러블소자(wearable electronics) 및 센서 소자(sensing device)등에 적용하여, 소자의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 스퍼터링 장치의 챔버 내에 전이금속 칼코게나이드를 포함하는 타겟을 형성하는 단계는, 스퍼터링 장치의 타겟 홀더에 전이금속 칼코게나이드 타겟을 배치하는 단계일 수 있다.
상기 스퍼터링 장치는 고주파(Radio frequency, RF) 전원을 사용하는 RF 스퍼터링 장치일 수 있고, 바람직하게는 반응성 가스가 공급되는 RF 스퍼터링 장치일 수 있고, 더욱 바람직하게는 반응성 가스가 공급되고, 가열수단과 연결된 스퍼터링 장치일 수 있다.
상기 타겟은 전이금속 칼코게나이드를 포함할 수 있다.
상기 타겟은 디스크, 판, 사각형 및 시트 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
상기 챔버 내에 상기 타겟과 이격하도록 기판을 배치하는 단계는, 스퍼터링 공정을 통해 전이금속 칼코게나이드 박막이 형성되는 기판을 기판 홀더에 배치하는 단계일 수 있다.
상기 스터터링 장치는 챔버 내부의 하부면에 타겟 홀더가 배치될 수 있고, 상부면에 기판 홀더가 배치될 수 있다.
상기 기판 홀더는 가열수단과 연결될 수 있고, 상기 가열수단에 의해 가열될 수 있다.
상기 기판은 금속, 반도체, 절연체 및 고분자 중 적어도 하나를 포함하는 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 실리콘(Si), 사파이어 및 쿼츠 기판 중 어느 하나일 수 있고, 또는 폴리이미드(PI) 또는 폴리에틸렌 테 레프탈레이트(PET)의 고분자 기판일 수 있다.
상기 챔버 내에 불활성 가스, 및 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스를 주입하는 단계는, 고품질의 전이금속 칼코게나이드 박막을 형성하기 위해 스퍼터링 챔버 분위기를 형성하는 단계일 수 있다.
만약, 챔버 내에 반응성 가스를 주입하지 않을 경우, 즉 불활성 가스를 100 부피% 주입할 경우, 스퍼터링에 의해 증착된 박막은 전이금속 칼코게나이드 이외에 전이금속산화물등의 이종의 화합물 또는 불순물을 더 포함할 수 있다.
일 예로, 이황화몰리브덴(MoS2) 이외에 몰리브덴산화물(MoO3)을 더 포함하는 박막이 형성될 수 있고, 또는 화학양론적으로(stoichiometrically) 원자의 비가 맞지 않는 MoS2-x(0<X<2)형태의 이황화몰리브덴 박막이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예는, 스퍼터링 공정으로 박막 형성시 반응성 가스에 포함된 칼코겐 원소를 제조되는 전이금속 칼코게나이드 박막에 제공할 수 있으며, 이를 통해 불순물 함량을 최소화할 수 있고, 화학양론적으로 원자의 비가 맞는 전이금속 칼코게나이드를 형성할 수 있다.
즉, 전이금속 칼코게나이드의 단일 물질로 구성되고 결함이 적은, 고품질의 전이금속 칼코게나이드 박막을 제조할 수 있다.
상기 단계는, 스퍼터링 챔버 내부를 고진공 상태로 형성한 후, 불활성 가스 및 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스를 주입하는 단계일 수 있다.
이때, 상기 고진공 상태는 챔버 내부의 압력이 10-6 내지 10-2 Torr인 상태일 수 있고, 상기 불활성 가스는 아르곤(Ar), 질소(N2), 네온(Ne) 및 헬륨(He) 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 주입되는 불활성 가스 및 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스는 99.5:0.5 내지 97:3의 부피비로 주입될 수 있고, 바람직하게는 99:1의 부피비로 주입될 수 있다.
이는, 고품질의 전이금속 칼코게나이드 박막을 제조하기 위한 것으로, 주입되는 전체 가스 대비 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스를 0.5 부피% 미만으로 포함하거나, 3 부피%초과하는 양으로 포함할 경우, 제조되는 박막이 결함을 갖거나 전이금속 칼코게나이드이외의 불순물을 포함하는 박막이 형성되는 문제가 발생될 수 있다.
상기 타겟 및 상기 기판 사이에 플라즈마를 형성하여, 상기 기판상에 전이금속 칼코게나이드를 증착하는 단계는, 스퍼터링 공정에 의해 타겟으로부터 분리된 전이금속, 칼코겐 원소 및 전이금속 칼코게나이드 중 적어도 하나의 물질을 기판상에 증착하는 단계일 수 있으며, 동시에 스퍼터링 공정에 의해 반응성 가스가 이온화되어 형성된 칼코겐 원소가 기판상에 증착될 수 있다.
상기 플라즈마는 불활성 가스 및 반응성 가스가 이온화된 상태일 수 있다.
상기 플라즈마는 상기 타겟을 음극과 연결하고, 상기 기판을 양극과 연결한 후 전압을 인가하는 방법 및 챔버 내에 자기장을 형성하는 방법 중 적어도 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
이때, 상기 플라즈마 형성으로 이온화된 불활성 가스는 가속 후 타켓과 충돌하여 상기 타겟으로부터 전이금속, 칼코겐 원소 및 전이금속 칼코게나이드 중 적어도 하나의 물질이 방출할 수 있다. 상기 타겟으로부터 방출된 전이금속, 칼코겐 원소 및 전이금속 칼코게나이드 중 적어도 하나의 물질은 상기 기판상에 증착될 수 있다. 또한, 이때, 상기 반응성 가스가 이온화되어 형성된 칼코겐 원소가 상기 기판상에 증착될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법은, 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스 분위기에서 상기 기판상에 전이금속 칼코게나이드를 스퍼터링하여 증착함으로써, 전이금속 및 칼코게나이드가 일정한 결합비로 결합된 전이금속 칼코게나이드 박막을 제조할 수 있다.
또한, 4 내지 20 nm의 균일한 나노 두께를 갖는 전이금속 칼코게나이드 박막을 제조할 수 있다.
또한, 기판 크기로 박막을 제조할 수 있어, 전이금속 칼코게나이드 박막을 대면적으로 제조할 수 있다.
상기 전이금속 칼코게나이드가 증착된 기판을 열처리하는 단계는, 증착한 전이금속 칼코게나이드 박막의 결정성을 향상시키기 위한 단계일 수 있다.
이때 상기 열처리는 상기 스퍼터링 장치 챔버 내부에서 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 제조방법은 단일 장치를 이용하여 고품질의 전이금속 칼코게나이드 박막을 제조할 수 있어, 고품질의 전이금속 칼코게나이드 박막을 보다 용이하게 제조할 수 있다.
일 예로, 상기 열처리는 상기 기판홀더를 가열하여, 상기 기판 홀더에 배치된 기판의 온도를 증가시키는 방법으로 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예는 단일 장치 내에서 전이금속 칼코게나이드를 증착 및 열처리함으로써, 결정성이 우수하고 결함이 적은 고품질의 전이금속 칼코게나이드 박막을 형성할 수 있다.
이를 위해, 상기 열처리는 상기 챔버 내부를 10-6 내지 10-3 Torr의 고진공 상태로 형성한 후 상기 기판 또는 기판 홀더를 650 내지 850℃로 가열하는 방법으로 수행할 수 있고, 바람직하게는 700 내지 800 ℃로 가열하는 방법으로 수행할 수 있다. 이는, 결정성이 우수한 박막을 형성하기 위한 것으로, 만약, 상기 열처리를 650 ℃ 미만의 온도에서 수행할 경우, 결정성이 낮은 박막이 형성될 수 있다.
또한, 상기 열처리를 850℃를 초과하는 온도에서 수행할 경우 고온 열처리를 수행하기 위한 장치가 별도로 요구될 수 있어, 제조비가 상승하고 제조 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예는,
기판;
상기 기판의 일면에 배치되는 하부 전극;
상기 기판의 타면에 배치되며, 상기 제조방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막; 및
상기 박막상에 배치되는 상부 전극;을 포함하는,
포토 다이오드를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 포토 다이오드는 가시 광선 영역의 빛을 검출하는 포토 다이오드일 수 있다.
상기 전이금속 칼코게나이드 박막은 2차원 층상구조의 전이금속 디칼코게나이드일 수 있고, 바람직하게는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막일 수 있다.
상기 전이금속 칼코게나이드 박막은 4 내지 20 nm의 균일한 두께를 갖는 박막으로, 결함이 적고 결정성이 우수할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 포토 다이오드는 상기 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하여, 300 내지 900 nm 파장의 빛을 검출하는 성능이 현저히 우수할 수 있다.
상기 하부 전극 및 상부 전극은 티타늄(Ti), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 이들의 혼합물 중 적어도 하나일 수 있으나 이에 제한된 것은 아니며, 전기 전도성을 갖는 다른 물질이 사용될 수 있다.
이하, 실시 예 및 실험 예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시 예 및 실험 예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시 예의 조건을 하기 표 1에 나타내었다.
<실시 예 1>
단계 1: 1.5 x 1.5 크기의 P-type Si 기판을 아세톤, 에탄올, DI water 순으로 세척 한 P형 Si 기판을 준비하였다.
단계 2: 스퍼터링 장치의 챔버 상부면에 이황화몰리브덴(MoS2) 타겟을 배치하고 하부면에 배치되며 회전가능한 기판 홀더에 상기 P-type Si 기판을 배치하였다.
단계 3: 진공 펌프를 이용하여 상기 챔버 내부의 압력이 10-6 Torr가 되도록 진공 형성하고, 이후 Ar 및 H2S 가스를 99:1의 부피비로 주입하였다. 이때, 챔버 내부의 압력은 10-3 Torr가 유지되도록 하였다.
단계 4: 상기 스퍼터링 장치에 20W의 고주파(radio frequency, RF) 파워를 인가하여, 상기 P-type Si기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 증착하였다. 이 때, 상기 기판 홀더는 20rpm으로 회전시켰다.
단계 5: 이후, 상기 기판 홀더를 가열하여, 전이금속 칼코게나이드가 증착된 기판을 700 ℃에서 15분간 열처리하여, P-type Si 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다. 상기 열처리는 상기 스퍼터링 장치 내에서 수행되었으며, 증착할 때와 동일한 분위기에서 수행하였다.
<실시 예 2>
상기 실시 예 1에서 기판을 쿼츠 기판으로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 쿼츠 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<실시 예 3>
상기 실시 예 1에서 기판을 사파이어 기판으로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 사파이어 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<실시 예 4>
상기 실시 예 2의 단계 5에서의 열처리 온도를 500 ℃로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 2와 동일한 방법을 수행하여 쿼츠 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<실시 예 5>
상기 실시 예 2의 단계 5에서의 열처리 온도를 600 ℃로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 2와 동일한 방법을 수행하여 쿼츠 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<실시 예 6>
상기 실시 예 2의 단계 5에서, 열처리하는 온도를 800 ℃로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 2와 동일한 방법을 수행하여 쿼츠 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다
<실시 예 7>
상기 실시 예 3의 단계 5에서의 열처리 온도를 500 ℃로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 3과 동일한 방법을 수행하여 사파이어 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<실시 예 8>
상기 실시 예 3의 단계 5에서의 열처리 온도를 600 ℃로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 3과 동일한 방법을 수행하여 사파이어 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<실시 예 9>
상기 실시 예 3의 단계 5에서, 열처리하는 온도를 800 ℃로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 3과 동일한 방법을 수행하여 사파이어 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다
<실시 예 10>
상기 실시 예 1에서 제조된 P-type Si 기판 및 상기 기판상에 형성된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막에 대해, 상기 P-type Si 기판의 하부면에 Ti/Au 하부 전극을 형성하고, 상기 이황화몰리브덴(MoS2) 박막상에 Ti/Au 상부전극을 형성한, 포토 다이오드 소자를 제조하였다.
<비교 예 1>
상기 실시 예 1의 단계 3에서, 진공 형성 후 Ar 100% 부피비로 주입하는 것으로 달리하는 것을 제외하고, 실시 예 1과 동일한 방법을 수행하여 P-type Si 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<비교 예 2>
상기 비교 예 1의 P-type Si 기판을 쿼츠 기판으로 달리하는 것을 제외하고, 비교 예 1과 동일한 방법을 수행하여 쿼츠 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<비교 예 3>
상기 비교 예 1의 P-type Si 기판을 사파이어 기판으로 달리하는 것을 제외하고, 비교 예 1과 동일한 방법을 수행하여 사파이어 기판상에 이황화몰리브덴(MoS2) 박막을 형성하였다.
<비교 예 4>
P-type Si 기판의 일면에 Ti/Au 하부 전극을 형성하고, 상기 기판의 타면에 Ti/Au 상부 전극을 형성한, 쇼트키 다이오드 소자를 제조하였다.
<비교 예 5>
상기 비교 예 1에서 제조된 P-type Si 기판 및 상기 기판상에 형성된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막에 대해, 상기 P-type Si 기판의 하부면에 Ti/Au 하부 전극을 형성하고, 상기 이황화몰리브덴(MoS2) 박막상에 Ti/Au 상부 전극을 형성한, 포토 다이오드 소자를 제조하였다.
<실험 예 1>
본 발명의 실시 예에 따라 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막의 물질 특성을 확인하기 위해 실시 예 1 내지 3, 비교 예 1 내지 3에 의해 제조된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막에 대해, X-선 광전자 분광기(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS), 라만 분광기(Raman sepctroscopy) 및 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis spectrophotometry)를 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 각각 도 2 내지 5에 나타내었다.
도 2 및 3은 실시 예 1 및 비교 예 1 에 의해 제조된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막에 대한 XPS 그래프이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 실시 예 1의 경우, Mo4+에 해당하는 강도가 현저히 높은 반면, Mo6+ 에 해당하는 피크(peak)가 거의 나타나지 않은 반면, 비교 예 1의 경우, Mo6+ 에 해당하는 피크가 보다 높은 강도로 나타나는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 실시 예 1의 경우 비교 예 1 보다 S 2p1/2 및 S 2p3/2 피크의 강도가 높은 것을 알 수 있다.
한편, 도 4는 실시 예 3 및 비교 예 3에 의해 제조된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막에 대한 라만(Raman) 그래프로, 라만 그래프에서 나타나는 E1 2g 및 A1g 피크를 통해 제조된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 구조 결정성을 알 수 있다.
도 4을 통해 실시 예 3에 의해 제조된 MoS2 박막의 경우, 결함이 적으며, 2차원 시트 형태의 결정구조를 갖는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막이 형성된 반면, 비교 예 3에 의해 제조된 MoS2 박막의 경우, 결함이 보다 많은 이황화몰리브덴(MoS2) 박막이 제조됨을 알 수 있다.
또한, 도 5는, 실시 예 2 및 비교 예 2에 의해 제조된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막에 대한 UV-Vis 분석 그래프로, 실시 예 2의 경우, 이황화몰리브덴(MoS2)이 2차원 시트 형태임을 나타내는 A 여기(A-excition) 및 B 여기(B-excition)가 나타난 반면, 비교 예 2의 경우, 이에 해당하는 피크가 나타나지 않음을 알 수 있다.
이를 통해, Ar 및 H2S 가스 분위기에서 스퍼터링을 수행하여 박막을 제조하는 경우, 불순물 또는 다른 종류의 상이 거의 포함하지 않으며, 2차원 시트 형태의 결정구조를 갖는, 고품질의 MoS2 박막이 제조할 수 있음을 알 수 있다.
<실험 예 2>
본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법에서, 열처리 온도에 따른 특성을 확인하기 위해 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시 예 3, 실시예 7 내지 9에 의해 제조된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막에 대해, 라만 분광기(Raman sepctroscopy)를 이용하여 비교분석 하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6에 나타난 바와 같이, 실시 예 3(700℃) 및 9(800℃)의 경우, 2차원 시트 형태의 결정구조를 갖는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막이 형성된 반면, 실시 예 7 및 8의 경우, 결정성이 현저히 떨어진 형태로 제조되었음을 알 수 있다.
<실험 예 3>
본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법에서, 열처리 온도에 따른 특성을 확인하기 위해 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시 예 2, 실시예 4 내지 6에 의해 제조된 이황화몰리브덴(MoS2) 박막에 대해, 자외선-가시광선 분광광도계(UV-Vis spectrophotometry)를 이용하여 비교분석 하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7에 나타난 바와 같이, 실시 예 2 및 6의 경우에는 A 여기(A-excition) 및 B 여기(B-excition) 피크가 나타나지만, 실시 예 4 및 5의 경우에는 상기 피크가 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 이를 통해 실시 예 2 및 6 박막의 결정성이 우수한 반면, 실시 예 4 및 5 박막의 경우 내부에 결함이 많고 상대적으로 결정성이 좋지 않음을 알 수 있다.
<실험 예 4>
본 발명의 실시 예에 따른 전이금속 칼코게나이드 박막의 두께를 측정하기 위해, 주사탐침현미경(AFM)을 이용하여, 실시예 1에 의해 제조한 이황화몰리브덴(MoS2) 박막의 두께를 측정하였으며, 그 결과를 도 13에 나타내었다.
도 13에 나타난 바와 같이, 실시 예 1에 의해 약 8 nm의 두께를 갖는 이황화몰리브덴(MoS2) 박막이 형성되었음을 알 수 있다.
<실험 예 5>
본 발명의 실시 예에 따른 포토 다이오드의 특성을 쇼트키 다이오드 소자와 비교 평가하기 위해, 비교 예 3, 비교 예 4 및 실시 예 10에 의해 제조한 다이오드에 대해, 키슬리 4200 반도체 측정 장비를 이용하여 광전류 특성 평가를 수행하였으며, 그 결과를 도 8 내지 10에 나타내었다. 이때 광전류 특성 평가를 위해 850 nm 파장의 빛을 사용하였다.
도 8은 비교 예 3에 의해 제조된 다이오드의 광전류 특성을 평가한 그래프이고, 도 9는 비교 예 4에 의해 제조된 다이오드의 광전류 특성을 평가한 그래프이고, 도 10은 실시 예 10에 의해 제조된 다이오드의 광전류 특성을 평가한 그래프이다.
도 8 내지 10을 비교한 바와 같이, 비교 예 3의 쇼트키 다이오드의 경우, 빛을 감지하는 특성이 현저히 낮은 반면, 비교 예 4 및 실시 예 10에 의해 제조된 포토 다이오드의 경우, 빛 감지 특성이 보다 우수한 것을 알 수 있으며, 특히 실시 예 10의 포토 다이오드의 경우, 보다 낮은 암전류(dark current) 및 보다 높은 포토 전류(photo current)가 나타남을 알 수 있다.
<실험 예 6>
본 발명의 실시 예에 따른 포토 다이오드의 특성을 평가하기 위해, 비교 예 4 및 실시 예 10에 의해 제조한 다이오드에 대해, 실험 예 5와 동일한 방법으로 광전류 특성을 비교하였으며, 그 결과를 도 11에 나타내었다. 이때 광전류 특성 평가를 위해 530nm의 파장 및 43.2 mW/cm2 세기의 빛을 사용하였다.
도 11에 나타난 바와 같이, 비교 예 4에 의해 제조된 포토 다이오드 보다 실시 예 10에 의해 제조된 포토 다이오드의 광감지 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
<실험 예 7>
본 발명의 실시 예에 따른 포토 다이오드에 대해, 가시광선에 대한 광 감지 특성을 분석하기 위해, 400nm, 530nm 및 850nm 파장의 빛을 이용하여, 실험 예 5와 동일한 방법으로 실시 예 10에 의해 제조된 포토 다이오드의 광전류 특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 12에 나타내었다.
도 12에 나타난 바와 같이, 실시 예 10의 포토 다이오드는 400nm, 530nm 및 850nm 파장영역에서 우수한 광 감지 특성을 나타나는 것을 알 수 있다.
이를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 포토 다이오드는 가시광선 영역의 빛에 대해 우수한 광 감지 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
Claims (6)
- 스퍼터링 장치의 챔버 내에 전이금속 칼코게나이드를 포함하는 타겟을 형성하는 단계;
상기 챔버 내에 상기 타겟과 이격하도록 기판을 배치하는 단계;
상기 챔버 내에 불활성 가스 및 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스를 주입하는 단계;
상기 타겟 및 상기 기판 사이에 플라즈마를 형성하여, 상기 기판상에 전이금속 칼코게나이드를 증착하는 단계; 및
상기 전이금속 칼코게나이드가 증착된 기판을 650 내지 850℃의 온도로 열처리하는 단계;를 포함하는
전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 반응성 가스를 주입하는 단계는
상기 불활성 가스 및 칼코겐 원소를 포함하는 반응성 가스를 99.5:0.5 내지 97:3의 부피비로 주입하는 것을 특징으로 하는
전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 열처리하는 단계는 상기 챔버 내부에서 수행하는 것을 특징으로 하는
전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법.
- 삭제
- 기판;
상기 기판의 일면에 배치되는 하부 전극;
상기 기판의 타면에 배치되며, 제 1 항의 제조방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막; 및
상기 박막상에 배치되는 상부 전극;을 포함하는,
포토 다이오드.
- 제 5 항에 있어서,
상기 포토 다이오드는 가시광선을 검출하는 것을 특징으로 하는
포토 다이오드.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190139260A KR102278187B1 (ko) | 2019-11-04 | 2019-11-04 | 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190139260A KR102278187B1 (ko) | 2019-11-04 | 2019-11-04 | 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210053538A KR20210053538A (ko) | 2021-05-12 |
| KR102278187B1 true KR102278187B1 (ko) | 2021-07-16 |
Family
ID=75918972
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190139260A KR102278187B1 (ko) | 2019-11-04 | 2019-11-04 | 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102278187B1 (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101957730B1 (ko) * | 2017-11-16 | 2019-03-13 | 한국세라믹기술원 | 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 포토디텍터의 제조 방법 |
| KR102020495B1 (ko) * | 2017-07-24 | 2019-09-11 | 한국세라믹기술원 | 전이금속 칼코겐화합물 박막의 제조 방법 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101566851B1 (ko) | 2013-12-31 | 2015-11-06 | (재)한국나노기술원 | 전기도금 공정을 이용한 자기제어 이황화몰리브덴 단일층의 합성 방법 및 이에 의해 제조된 자기제어 이황화몰리브덴 단일층을 이용한 트랜지스터 |
| KR101708260B1 (ko) * | 2015-06-18 | 2017-02-20 | 연세대학교 산학협력단 | 전이금속 칼코겐화물 구조체 및 그 제조방법 |
| KR102020538B1 (ko) * | 2018-01-16 | 2019-09-10 | 한국세라믹기술원 | 플렉서블 디바이스용 전이금속 칼코겐화합물 박막의 제조 방법 |
-
2019
- 2019-11-04 KR KR1020190139260A patent/KR102278187B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102020495B1 (ko) * | 2017-07-24 | 2019-09-11 | 한국세라믹기술원 | 전이금속 칼코겐화합물 박막의 제조 방법 |
| KR101957730B1 (ko) * | 2017-11-16 | 2019-03-13 | 한국세라믹기술원 | 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 포토디텍터의 제조 방법 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210053538A (ko) | 2021-05-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kennedy et al. | Controlling preferred orientation and electrical conductivity of zinc oxide thin films by post growth annealing treatment | |
| Jamal et al. | Effects of growth temperature on the photovoltaic properties of RF sputtered undoped NiO thin films | |
| Gonon et al. | Electrical conduction and deep levels in polycrystalline diamond films | |
| Hernandez Ruiz et al. | Chemical vapor deposition mediated phase engineering for 2D transition metal dichalcogenides: Strategies and applications | |
| Liu et al. | Aluminum-doped zinc oxide transparent electrode prepared by atomic layer deposition for organic light emitting devices | |
| Muchuweni et al. | Physical properties of gallium and aluminium co-doped zinc oxide thin films deposited at different radio frequency magnetron sputtering power | |
| Saha et al. | Effect of disorder on carrier transport in ZnO thin films grown by atomic layer deposition at different temperatures | |
| Wang et al. | Highly transparent and conductive γ-CuI films grown by simply dipping copper films into iodine solution | |
| Ibrahim et al. | Effect of aging time on the optical, structural and photoluminescence properties of nanocrystalline ZnO films prepared by a sol–gel method | |
| Sushmitha et al. | Structural, electrical, optical and magnetic properties of NiO/ZnO thin films | |
| Locovei et al. | Physical properties of Cu and Dy co-doped ZnO thin films prepared by radio frequency magnetron sputtering for hybrid organic/inorganic electronic devices | |
| Verma et al. | Influence of ion-beam sputtering deposition parameters on highly photosensitive and transparent CdZnO thin films | |
| Muchuweni et al. | Effect of O2/Ar flow ratio on Ga and Al co-doped ZnO thin films by rf sputtering for optoelectronic device fabrication | |
| Chen et al. | Ti-incorporated ZnO films synthesized via magnetron sputtering and its optical properties | |
| Hussain et al. | Length dependent performance of Cu2O/ZnO nanorods solar cells | |
| Bhatt et al. | Electrooptic properties of polycrystalline SnSe thin films | |
| Ullah et al. | Continuous large area few layers MoS2 films by pulsed laser deposition and effect of annealing in sulfur environment | |
| Lovchinov et al. | Structural, optical and electrical properties of V doped ZnO thin films deposited by rf magnetron sputtering | |
| Verma et al. | Benzo [ghi] perylene monoimide based photosensitive lamellar Cd-doped ZnO nanohybrids | |
| Zahir et al. | Sulfurization engineering of single-zone CVD vertical and horizontal MoS 2 on p-GaN heterostructures for self-powered UV photodetectors | |
| Hemathangam et al. | Tuning of Band gap and photoluminescence properties of Zn doped Cu 2 S thin films by CBD method | |
| Rabizadeh et al. | Tuning of physical properties in MoO 3 thin films deposited by DC sputtering | |
| KR102278187B1 (ko) | 전이금속 칼코게나이드 박막의 제조방법 및 이의 방법으로 제조된 전이금속 칼코게나이드 박막을 포함하는 포토 다이오드 | |
| Liu et al. | Effect of Annealing Temperature on Optoelectronic Performance of F-and Al-codoped ZnO Thin Films for Photosensor Applications. | |
| Zou et al. | Two-dimensional Bi2O2Se nanosheets for sensitive and fast-response high-temperature photodetectors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |