페로브스카이트-그래핀 이종 접합에서 그래핀의 광 도핑 향상을 위한 연구

Abstract

인터넷이 보급되고 스마트폰이 발달함에 따라 전자기기의 성능과 휴대성이 강조되었다. 따라서 크기가 작으면서 고성능을 낼 수 있는 반도체소자에 대한 수요가 증가하였다. 반도체소자의 크기를 줄이기 위해서는 기존에 사용하던 트랜지스터 소자의 크기를 비례 축소를 통해 줄일 수도 있지만, 최근에는 비례 축소를 위한 미세 공정의 한계와 양자 효과로 인해 비례 축소가 제한적이다.

한편 반도체소자를 원하는 특성으로 제작하기 위해 도핑을 이용한다. 특히 소자를 제작할 때 반 영구적인 방법으로 화학적 도핑을 이용 할 수 있지만, 한번 화학적 도핑을 형성하면 이를 변화시키기 어렵다. 반면 커패시터의 원리를 이용하는 전기적인 도핑 방법은 물질의 도핑 농도를 능동적으로 조절 가능하다. 그러나 전기적인 도핑 방식은 게이트 구조가 형성되어 있어야 하며, 게이트 구조가 한번 결정되면 도핑의 모양을 변화시키기 어렵다. 또한 요즈음의 미세공정에서 복잡한 게이트 구조를 만드는 것은 굉장히 어렵다. 따라서 광도핑 현상을 이용하는 반도체소자를 제작하면 전기적 도핑에서 할 수 없었던, 복잡한 게이트 구조가 없는 무한한 해상도의 능동적 도핑을 시도할 수 있다.

최근 광학적 현상이 뛰어나고, 전기-광학적 특성을 쉽게 조절할 수 있는 그래핀이라는 물질은 기존의 플라즈몬 발생에 이용하던 귀금속보다 더 작은 영역에서 플라즈몬을 발생시킬 수 있기에 이를 이용하여 초소형 광전 소자 – 변조기, 센서, 집광성 소자, 메타물질, 컬러 필터, 디스플레이, 편광 필터 등 – 를 만들 수 있게 되었다. 그래핀이라는 물질은 물질의 특성 상 플라즈몬 공진주파수보다 훨씬 작은 공간에서 소자를 제작할 수 있으며 조금의 캐리어 농도 변화에도 공진 주파수가 쉽게 영향을 받기때문에, 새로운 과학적 현상을 이용한 초소형 고성능 소자 개발에 적합한 매질이다. 이를 위해서는 복잡한 게이트 구조 없이 광자를 이용하여 그래핀의 캐리어 농도를 변화시키는 과정이 필수적이며 본 논문에서는 빛 흡수도가 낮은 그래핀을 보조하기 위해 페로브스카이트라는 감광제를 적용하였다.

2 장과 3 장에서는 그래핀과 페로브스카이트에 대한 소개와 실험에서 직접적으로 사용할 이론적 내용과 이에 따른 장점, 단점들을 소개하였다. 2 장에서는 그래핀의 오비탈 상태에 대한 이해로부터 여러 특징을 살펴 보았으며, 그래핀을 전사하는 방법, 이를 이용하여 만든 트랜지스터인 GFET, 공정 과정, 기판의 표면 처리를 통한 GFET 의 성능 개선 등에 대하여 살펴 보았다. 3 장에서는 페로브스카이트의 합성에 대한 내용부터, 에너지 모델을 통해 그래핀과 혼성구조를 가질 때 나타나는 변화, 공정과정에서의 문제점에 대해 설명하였다.

4 장에서는 본 논문에서 제작한 소자에 대한 제작방법, 제작 과정에서 확인해야만 했던 사항들에 대하여 소개하였으며, 소자 공정과 측정과정에서 사용한 장비들에 대하여 목록화 하였다. 또한 소자 제작 과정에서 필요한 변인통제요소에 대하여 실험적으로 확인 해 보았다.

5 장에서는 페로브스카이트-정공수송층-그래핀 이종 접합에서 광 도핑의 정량적인 값을 구하는 방법을 기술하였고, 이를 실험적으로 얻어보았다. 이 측정을 통해 이전 논문 대비 200% 이상의 캐리어 농도 변화량을 나타내었다.