(57)【要約】【課題】二次元物質及びその形成方法、並びに該二次元物質を含む素子を提供する。【解決手段】二次元物質要素とその形成方法及び二次元物質要素を含む素子に係り、該二次元物質要素は、第１二次元物質、及びそれに結合した第２二次元物質を含み、該第１二次元物質と第２二次元物質は、化学結合しており、該第１二次元物質の側面に、該第２二次元物質が結合し、該第１二次元物質は、第１金属カルコゲナイド系物質を含み、該第２二次元物質は、第２金属カルコゲナイド系物質を含み、該二次元物質要素は、ＰＮ接合構造を有し、該二次元物質要素は、バンドギャップが互いに異なる複数の二次元物質を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属カルコゲナイド系物質を含む第１二次元物質と、
前記第１二次元物質の側面に結合しており、第２金属カルコゲナイド系物質を含む第２二次元物質と、を具備し、
前記第１二次元物質と第２二次元物質は、化学結合している二次元物質要素。
【請求項２】
前記第１二次元物質と第２二次元物質は、共有結合していることを特徴とする請求項１に記載の二次元物質要素。
【請求項３】
前記第１二次元物質と第２二次元物質は、その結合部において連続した結晶構造を有するように、原子間結合していることを特徴とする請求項１または２に記載の二次元物質要素。
【請求項４】
前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なるＴＭＤＣ物質を含むことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項５】
前記第１金属カルコゲナイド系物質、及び前記第２金属カルコゲナイド系物質のうち少なくとも一つは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち１つの金属元素と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素と、を含むことを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項６】
前記第１二次元物質と前記第２二次元物質は、半導体であることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項７】
前記第１二次元物質は、ｎ型半導体であり、
前記第２二次元物質は、ｐ型半導体であることを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項８】
前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なる金属元素を含むことを特徴とする請求項７に記載の二次元物質要素。
【請求項９】
前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、同一のカルコゲン元素を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の二次元物質要素。
【請求項１０】
前記第１二次元物質は、前記第１金属カルコゲナイド系物質であり、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７に記載の二次元物質要素。
【請求項１１】
前記第２二次元物質は、前記第２金属カルコゲナイド系物質であり、ＷＳ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２及びＮｂＳｅ２のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項７または１０に記載の二次元物質要素。
【請求項１２】
前記第１二次元物質は、ＭｏＳ２を含み、
前記第２二次元物質は、ＷＳ２を含むことを特徴とする請求項７に記載の二次元物質要素。
【請求項１３】
前記第１二次元物質と前記第２二次元物質は、互いに異なるエネルギーバンドギャップを有することを特徴とする請求項１から６のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項１４】
前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なるカルコゲン元素を含むことを特徴とする請求項１３に記載の二次元物質要素。
【請求項１５】
前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、同一の金属元素を含むことを特徴とする請求項１３または１４に記載の二次元物質要素。
【請求項１６】
前記第１二次元物質は、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２のうち一つを含み、
前記第２二次元物質は、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２のうち他の一つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の二次元物質要素。
【請求項１７】
前記第１二次元物質は、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち一つを含み、
前記第２二次元物質は、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち他の一つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の二次元物質要素。
【請求項１８】
前記第１二次元物質の両側に、前記第２二次元物質が配置されるか、または前記第２二次元物質の両側に、前記第１二次元物質が配置されていることを特徴とする請求項１から１７のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項１９】
複数の前記第１二次元物質と複数の前記第２二次元物質とがパターン化された構造を形成することを特徴とする請求項１から１８のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項２０】
前記第１二次元物質または第２二次元物質の側面に結合した第３二次元物質をさらに含むことを特徴とする請求項１から１９のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項２１】
多層構造体を含む半導体素子において、
前記多層構造体は、
請求項１から２０のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素を含む半導体層と、
前記半導体層の少なくとも一面に位置する少なくとも１層の非半導体層と、を含む半導体素子。
【請求項２２】
前記多層構造体は、
前記半導体層の第１面に位置する第１導電層と、
前記半導体層の第２面に位置する第２導電層と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項２３】
前記多層構造体は、
前記第２導電層と離隔された第３導電層と、
前記第２導電層と前記第３導電層との間の絶縁層と、をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の半導体素子。
【請求項２４】
前記多層構造体は、
前記半導体層の第１面に位置する第１絶縁層と、
前記半導体層の第２面に位置する第２絶縁層と、
前記第１絶縁層を挟んで、前記半導体層と対向する第１導電層と、
前記第２絶縁層を挟んで、前記半導体層と対向する第２導電層と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項２５】
前記多層構造体は、
前記半導体層の第１面に位置する第１導電層と、
前記第１導電層と離隔された第２導電層と、
前記第１導電層と前記第２導電層との間の絶縁層と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項２６】
前記多層構造体は、
前記半導体層と離隔された第１導電層と、
前記半導体層と前記第１導電層との間の絶縁層と、
前記半導体層の第１領域及び第２領域にそれぞれ接触した第２導電層及び第３導電層と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項２７】
前記多層構造体は、
前記半導体層の第１面に位置する絶縁層と、
前記半導体層の第２面に位置する第１導電層と、を含むことを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項２８】
前記多層構造体は、
前記絶縁層を挟んで、前記半導体層と対向する第２半導体層と、
前記第２半導体層の第１領域及び第２領域にそれぞれ接触した第２導電層及び第３導電層と、をさらに含むことを特徴とする請求項２７に記載の半導体素子。
【請求項２９】
前記少なくとも１層の非半導体層は、導電性二次元物質及び絶縁性二次元物質のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２１から２８のうちいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項３０】
前記半導体層は、ＰＮ接合構造、ＰＮＰ接合構造及びＮＰＮ接合構造のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２１から２９のうちいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項３１】
前記半導体層は、エネルギーバンドギャップが互いに異なる複数の二次元物質を含むことを特徴とする請求項２１から２９のうちいずれか１項に記載の半導体素子。
【請求項３２】
前記半導体素子は、トンネリング素子であり、
前記半導体層は、トンネリング層であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項３３】
前記半導体素子は、ＢＪＴであり、
前記半導体層は、トンネリング層であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項３４】
前記半導体素子は、バリスタであり、
前記半導体層は、チャンネル層であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項３５】
前記半導体素子は、ＦＥＴであり、
前記半導体層は、チャンネル層であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項３６】
前記半導体素子は、メモリ素子であり、
前記半導体層は、電荷トラップ層であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項３７】
前記半導体素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項３８】
前記半導体素子は、太陽電池であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項３９】
前記半導体素子は、光検出器であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体素子。
【請求項４０】
第１二次元物質と、前記第１二次元物質に化学結合している第２二次元物質と、を含み、
前記第１二次元物質は、第１金属カルコゲナイドの第１層を含み、
前記第２二次元物質は、第２金属カルコゲナイドの第２層を含み、
前記第１金属カルコゲナイド及び第２金属カルコゲナイドは、互いに異なる金属元素を含むか、または互いに異なるカルコゲン元素を含む二次元物質要素。
【請求項４１】
前記第１金属カルコゲナイドは、第１金属を含み、
前記第２金属カルコゲナイドは、第２金属を含み、
前記第１金属及び第２金属のうち少なくとも一つは、遷移金属であることを特徴とする請求項４０に記載の二次元物質要素。
【請求項４２】
前記第１金属カルコゲナイド及び前記第２金属カルコゲナイドそれぞれは、独立して、
Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち１つの金属元素と、
Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素と、を含むことを特徴とする請求項４０または４１に記載の二次元物質要素。
【請求項４３】
前記二次元物質要素は、第３金属カルコゲナイドの第３層を含む第３二次元物質をさらに具備し、
前記第１二次元物質及び第３二次元物質は、前記第２二次元物質の両側に、それぞれ化学結合していることを特徴とする請求項４０から４２のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素。
【請求項４４】
請求項４０から４３のうちいずれか１項に記載の二次元物質要素を含む半導体層を含む半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次元物質及びその形成方法、並びに該二次元物質を含む素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
二次元物質（2D（two-dimensional） material）は、原子が所定の結晶構造をなしている単層（single-layer）または半層（half-layer）の固体であり、代表的な二次元物質として、グラフェンがある。グラフェンは、炭素原子が六方晶系（hexagonal）構造をなしている単層（単原子層）構造である。グラフェンは、ディラックポイント（Dirac point）を基準に、対称的なバンド構造を有し、ディラックポイントにおいて、電荷の有効質量（effective mass）が非常に小さいために、シリコン（Ｓｉ）より少なくとも１０倍以上（最大で１，０００倍以上）大きい電荷移動度を有することができる。また、グラフェンは、非常に速いフェルミ速度（Fermi velocity）（ＶＦ）を有することができる。このようなグラフェンは、既存素子の限界を克服することができる次世代素材として注目されている。
【０００３】
グラフェンに関する研究を皮切りに、絶縁性特性または半導体特性を有する多様な二次元物質に係わる研究及び開発が行われている。二次元物質に係わる研究は、一次的には、フレーク（flake）形態における基本的な物性を把握し、大面積成長のための成長法を開発する方向に進められてきた。また、最近では、互いに異なる二次元物質を積層する技術にその領域が拡張されている。ところで、二次元物質を実際の素子に適用するためには、二次元物質間、または二次元物質と異なる物質間の界面問題（interface issue）、及び二次元物質の転写問題（transfer issue）などを解決する必要がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、優秀な電気的／物理的特性を有する二次元物質要素を提供することである。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題はまた、互いに異なる二次元物質が化学的に結合した二次元物質要素を提供することである。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題はまた、界面問題を解決することができる二次元物質要素を提供することである。
【０００７】
本発明が解決しようとする課題はまた、ＰＮ接合構造を有する二次元物質要素を提供することである。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題はまた、バンドギャップ調節が容易な二次元物質要素を提供することである。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題はまた、バンドギャップが互いに異なる領域を含む二次元物質要素を提供することである。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題はまた、前記二次元物質要素を形成する方法を提供することである。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題はまた、前記二次元物質要素を適用した素子（半導体素子）を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一側面によれば、第１金属カルコゲナイド系物質を含む第１二次元物質；及び前記第１二次元物質の側面に結合しており、第２金属カルコゲナイド系物質を含む第２二次元物質；を具備し、前記第１二次元物質と第２二次元物質は、化学結合している二次元物質要素が提供される。
【００１３】
前記第１二次元物質と第２二次元物質は、共有結合しているものとすることができる。
【００１４】
前記第１二次元物質と第２二次元物質は、その結合部において連続した結晶構造を有するように、原子間結合している構造を有することができる。
【００１５】
前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なるＴＭＤＣ（transition metal dichalcogenide）物質を含むことができる。
【００１６】
前記第１金属カルコゲナイド系物質、及び前記第２金属カルコゲナイド系物質のうち少なくとも一つは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち１つの金属元素と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素と、を含むことができる。
【００１７】
前記第１二次元物質と前記第２二次元物質は、半導体とすることができる。
【００１８】
前記第１二次元物質は、ｎ型半導体とすることができ、前記第２二次元物質は、ｐ型半導体とすることができる。その場合、前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なる金属元素を含むことができる。前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、同一のカルコゲン元素を含むことができる。
【００１９】
前記第１二次元物質は、前記第１金属カルコゲナイド系物質であり、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち少なくとも一つを含むことができる。
【００２０】
前記第２二次元物質は、前記第２金属カルコゲナイド系物質であり、ＷＳ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２及びＮｂＳｅ２のうち少なくとも一つを含むことができる。
【００２１】
前記第１二次元物質は、ＭｏＳ２を含み、前記第２二次元物質は、ＷＳ２を含むことができる。
【００２２】
前記第１二次元物質と前記第２二次元物質は、互いに異なるエネルギーバンドギャップを有することができる。その場合、前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なるカルコゲン元素を含むことができる。前記第１金属カルコゲナイド系物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質は、同一の金属元素を含むことができる。
【００２３】
前記第１二次元物質は、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２のうち一つを含み、前記第２二次元物質は、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２のうち他の一つを含むことができる。
【００２４】
前記第１二次元物質は、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち一つを含み、前記第２二次元物質は、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち他の一つを含むことができる。
【００２５】
前記第１二次元物質の両側に、前記第２二次元物質が配置されるか、または前記第２二次元物質の両側に、前記第１二次元物質が配置されることができる。
【００２６】
複数の前記第１二次元物質と複数の前記第２二次元物質とがパターン化された構造を形成することができる。
【００２７】
前記第１二次元物質または第２二次元物質の側面に結合した第３二次元物質がさらに具備されることができる。
【００２８】
本発明の他の側面によれば、多層構造体を含む半導体素子において、前記多層構造体は、前述の二次元物質要素を含む半導体層；及び前記半導体層の少なくとも一面に位置する少なくとも１層の非半導体層；を含む半導体素子が提供される。
【００２９】
前記多層構造体は、前記半導体層の第１面に位置する第１導電層；及び前記半導体層の第２面に位置する第２導電層；を含むことができる。その場合、前記多層構造体は、前記第２導電層と離隔された第３導電層；及び前記第２導電層と前記第３導電層との間の絶縁層；をさらに含むことができる。
【００３０】
前記多層構造体は、前記半導体層の第１面に位置する第１絶縁層；前記半導体層の第２面に位置する第２絶縁層；前記第１絶縁層を挟んで、前記半導体層と対向する第１導電層；及び前記第２絶縁層を挟んで、前記半導体層と対向する第２導電層；を含むことができる。
【００３１】
前記多層構造体は、前記半導体層の第１面に位置する第１導電層；前記第１導電層と離隔された第２導電層；及び前記第１導電層と前記第２導電層との間に具備された絶縁層；を含むことができる。
【００３２】
前記多層構造体は、前記半導体層と離隔された第１導電層；前記半導体層と前記第１導電層との間の絶縁層；及び前記半導体層の第１領域及び第２領域にそれぞれ接触された第２導電層及び第３導電層；を含むことができる。
【００３３】
前記多層構造体は、前記半導体層の第１面に位置する絶縁層；及び前記半導体層の第２面に位置する第１導電層；を含むことができる。その場合、前記多層構造体は、前記絶縁層を挟んで、前記半導体層と対向する第２半導体層；及び前記第２半導体層の第１領域及び第２領域にそれぞれ接触した第２導電層及び第３導電層；をさらに含むことができる。
【００３４】
前記少なくとも１層の非半導体層は、導電性二次元物質及び絶縁性二次元物質のうち少なくとも一つを含むことができる。
【００３５】
前記半導体層は、ＰＮ接合構造、ＰＮＰ接合構造及びＮＰＮ接合構造のうち少なくとも一つを含むことができる。
【００３６】
前記半導体層は、エネルギーバンドギャップが互いに異なる複数の二次元物質を含むことができる。
【００３７】
前記半導体素子は、トンネリング素子とすることができる。このとき、前記半導体層は、トンネリング層とすることができる。
【００３８】
前記半導体素子は、ＢＪＴ（binary junction transistor）とすることができる。このとき、前記半導体層は、トンネリング層とすることができる。
【００３９】
前記半導体素子は、バリスタ（barristor）とすることができる。このとき、前記半導体層は、チャンネル層とすることができる。
【００４０】
前記半導体素子は、ＦＥＴ（field effect transistor）とすることができる。このとき、前記半導体層は、チャンネル層とすることができる。
【００４１】
前記半導体素子は、メモリ素子とすることができる。このとき、前記半導体層は、電荷トラップ層とすることができる。
【００４２】
前記半導体素子は、ダイオードとすることができる。
【００４３】
前記半導体素子は、太陽電池とすることができる。
【００４４】
前記半導体素子は、光検出器（photo detector）とすることができる。
【００４５】
本発明の他の側面によれば、第１金属カルコゲナイド系物質の前駆体、及び第２金属カルコゲナイド系物質の前駆体を含む前駆体溶液を準備する段階と、前記前駆体溶液を基板上に塗布して薄膜を形成する段階と、前記薄膜から、前記第１金属カルコゲナイド系物質を含む第１二次元物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質を含む第２二次元物質とを具備する二次元物質要素を形成する段階と、を含み、前記第２二次元物質は、前記第１二次元物質の側面に化学結合された二次元物質要素の製造方法が提供される。
【００４６】
前記薄膜から、前記二次元物質要素を形成する段階は、前記薄膜をアニーリングする段階を含むことができる。
【００４７】
前記アニーリングは、約３００〜約２，０００℃の温度で行うことができる。
【００４８】
前記薄膜から、前記二次元物質要素を形成する段階は、前記薄膜が具備されたチャンバ内にカルコゲン系物質を注入する段階をさらに含むことができる。
【００４９】
本発明の他の側面によれば、第１金属酸化物と第２金属酸化物とを含む薄膜を形成する段階と、前記第１金属酸化物及び第２金属酸化物から、それぞれ第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質を形成し、前記第１金属カルコゲナイド系物質を含む第１二次元物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質を含む第２二次元物質とを具備する二次元物質要素を形成する段階と、を含み、前記第２二次元物質は、前記第１二次元物質の側面に化学結合された二次元物質要素の製造方法が提供される。
【００５０】
前記薄膜から、前記二次元物質要素を形成する段階は、前記薄膜が具備されたチャンバ内にカルコゲン系物質を注入する段階と、前記薄膜をアニーリングする段階と、を含むことができる。
【００５１】
前記アニーリングは、約３００〜約２，０００℃の温度で行うことができる。
【００５２】
本発明の他の側面によれば、金属酸化物を含む薄膜を形成する段階と、前記薄膜の第１領域及び第２領域から、それぞれ第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質を形成し、前記第１金属カルコゲナイド系物質を含む第１二次元物質と、前記第２金属カルコゲナイド系物質を含む第２二次元物質とを具備する二次元物質要素を形成する段階と、を含み、前記第２二次元物質は、前記第１二次元物質の側面に化学結合された二次元物質要素の形成方法が提供される。
【００５３】
前記薄膜から、前記二次元物質要素を形成する段階は、前記薄膜の第１領域を第１カルコゲン系物質と反応させる段階と、前記薄膜の第２領域を第２カルコゲン系物質と反応させる段階と、を含むことができる。
【００５４】
前記薄膜から、前記二次元物質要素を形成する段階は、前記薄膜上に、前記第１領域を露出させる開口部を有するマスク層を形成する段階と、前記マスク層によって露出された前記第１領域を、前記第１二次元物質に変化させる段階と、を含むことができる。
【００５５】
前記薄膜から、前記二次元物質要素を形成する段階は、前記マスク層を除去し、前記薄膜の第２領域を露出させる段階と、前記薄膜の第２領域を、前記第２二次元物質に変化させる段階と、をさらに含むことができる。
【００５６】
本発明の他の側面によれば、第１二次元物質と、前記第１二次元物質に化学結合している第２二次元物質と、を含み、前記第１二次元物質は、第１金属カルコゲナイドの第１層を含み、前記第２二次元物質は、第２金属カルコゲナイドの第２層を含み、前記第１金属カルコゲナイド及び第２金属カルコゲナイドは、互いに異なる金属元素を含むか、または互いに異なるカルコゲン元素を含む二次元物質要素が提供される。
【００５７】
前記第１金属カルコゲナイドは、第１金属を含み、前記第２金属カルコゲナイドは、第２金属を含み、前記第１金属及び第２金属のうち少なくとも一つは、遷移金属とすることができる。
【００５８】
前記第１金属カルコゲナイド及び前記第２金属カルコゲナイドそれぞれは、独立して、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち１つの金属元素；及びＳ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素；を含むことができる。
【００５９】
前記二次元物質要素は、第３金属カルコゲナイドの第３層を含む第３二次元物質をさらに具備することができ、前記第１二次元物質及び第３二次元物質は、前記第２二次元物質の両側に、それぞれ化学結合しているものとすることができる。
【００６０】
本発明の他の側面によれば、前述の二次元物質要素を含む半導体層を具備する半導体素子が提供される。
【発明の効果】
【００６１】
本発明によれば、電気的／物理的特性にすぐれる二次元物質要素を具現することができる。また、本発明によれば、前記二次元物質要素を利用すれば、優秀な性能を有する素子（半導体素子）を具現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態による二次元物質要素を示す図面である。
【図２】本発明の一側面による二次元物質要素を示す図面である。
【図３】本発明の他の側面による二次元物質要素を示す図面である。
【図４】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す図面である。
【図５】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す斜視図である。
【図８】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す斜視図である。
【図９】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す斜視図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す斜視図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１１Ｂ】本発明の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１１Ｃ】本発明の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１２Ａ】本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１２Ｂ】本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１３Ａ】本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１３Ｂ】本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１３Ｃ】本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１３Ｄ】本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１３Ｅ】本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【図１４】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図１５】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図１６】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図１７】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図１８】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図１９】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図２０】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図２１】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図２２】本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。
【図２３】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す斜視図である。
【図２４】本発明の他の実施形態による二次元物質要素を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
以下、本発明の実施形態による二次元物質及びその形成方法、並びに該二次元物質を含む素子について、添付された図面を参照して詳細に説明する。添付された図面に図示された層や領域の幅及び厚みは、明細書の明確性のために若干誇張されて図示されている。詳細な説明全体にわたって、同一の参照番号は、同一の構成要素を示す。
【００６４】
図１は、本発明の実施形態による二次元物質要素１００を示す図面である。
【００６５】
図１を参照すれば、二次元物質要素１００は、第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０を含むことができる。第１二次元物質Ｍ１０と第２二次元物質Ｍ２０は、互いに異なる物質とすることができる。第１二次元物質Ｍ１０は、第１金属カルコゲナイド系（metal chalcogenide-based）物質を含むことができる。第２二次元物質Ｍ２０は、第２金属カルコゲナイド系物質を含むことができる。第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なるＴＭＤＣ（transition metal dichalcogenide）物質とすることができる。第１二次元物質Ｍ１０の側面に、第２二次元物質Ｍ２０が接合（結合）される。従って、第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０は、側傍に（laterally）配置されているといえる。第１二次元物質Ｍ１０は、第２二次元物質Ｍ２０と化学結合することができる。言い換えれば、第２二次元物質Ｍ２０は、第１二次元物質Ｍ１０の側面に、化学的に結合する。前記化学結合は、「共有結合」であってもよい。従って、第１二次元物質Ｍ１０は、第２二次元物質Ｍ２０と共有結合する。第１二次元物質Ｍ１０と第２二次元物質Ｍ２０は、その結合部において連続した結晶構造を有するように、原子間結合している構造を有することができる。
【００６６】
「化学結合（chemical bond）」は、原子または原子団の集合体において、構成原子間に作用し、その集合体を１つの単位体としてみなすことができるようにする力（引力）を意味する。言い換えれば、「化学結合」は、原子を連結させ、分子または結晶を形成させる原子間の結合を意味する。他の表現で、「化学結合」は、二つ以上の原子を含む化学物質（chemical substance）を形成するように、原子が結合することを意味する。このような化学結合は、根本的に、原子間の静電気的力（electrostatic force）によって誘発され、結合方式によって、結合力が異なる。本実施形態において、第１二次元物質Ｍ１０と第２二次元物質Ｍ２０は、化学結合し、ここで、前記化学結合は、共有結合を含んでもよい。共有結合は、結合をなす２つの原子間に共有された電子対から誘発される引力により、比較的強い結合力を有する。本実施形態において、第１二次元物質Ｍ１０の原子と、第２二次元物質Ｍ２０の原子は、化学結合し、その結果、結合部において連続した結晶構造を有することができる。すなわち、二次元物質要素１００は、第１二次元物質Ｍ１０と、第２二次元物質Ｍ２０との結合部（接合部）を含み、全体的に連続した結晶構造を有することができる。
【００６７】
「化学結合」と比較されることができる概念として、「物理的コンタクト」がある。物理的コンタクトは、例えば、２つの互いに異なる物質層が、それぞれの固有の特徴を保ちながら、物理的に接触されているものであり、２層の物質層間の原子間結合（化学結合）がなく、界面で不連続的な構造を有する。物理的コンタクトは、ファンデルワールス力（Van der Waals force）による表面間の接触であってもよい。従って、物理的コンタクトの場合、界面に電気的バリアが形成され、それにより、電荷（例えば、電子）の流れが円滑になされない。しかし、本発明の実施形態においては、第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０が化学結合し、接合部で連続して美しい結晶構造を有することができる。従って、第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０の間の界面問題なしに、電荷（例えば、電子）の流れ／挙動が円滑になされる。例えば、接合部（界面）において、バリアによるトンネリングなどの問題なしに、電荷（例えば、電子）の流れが容易になされる。それと関連して、本実施形態の二次元物質要素１００は、互いに異なる複数の二次元物質を含みながらも、界面問題なしに、優秀な物理的／電気的特性を示すことができる。
【００６８】
図１の実施形態において、第１二次元物質Ｍ１０は、第１金属カルコゲナイド系物質であり、第２二次元物質Ｍ２０は、第２金属カルコゲナイド系物質とすることができる。第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質は、ＴＭＤＣ物質とすることができる。第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質のうち少なくとも一つは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅのうち１つの遷移金属と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素と、を含んでもよい。ＴＭＤＣ物質は、例えば、ＭＸ２と表現され、ここで、Ｍは、遷移金属であり、Ｘは、カルコゲン元素である。Ｍは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅなどであり、Ｘは、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅであってもよい。ＴＭＤＣ物質は、例えば、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＲｅＳｅ２などである。第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質は、ＭＸ２と表現されないこともある。一例として、遷移金属であるＣｕと、カルコゲン元素であるＳとの化合物（遷移金属カルコゲナイド物質）は、ＣｕＳと表現される。このようなＣｕＳも、二次元物質であるので、第１カルコゲナイド系物質または第２金属カルコゲナイド系物質として適用されてもよい。他の場合、第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質は、非遷移金属を含むカルコゲナイド物質であってもよい。非遷移金属は、例えば、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂなどであってもよい。すなわち、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂなどの非遷移金属と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのようなカルコゲン元素との化合物が、第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質として使用されてもよい。非遷移金属を含むカルコゲナイド物質は、例えば、ＳｎＳｅ２、ＧａＳ、ＧａＳｅ、ＧａＴｅ、ＧｅＳｅ、Ｉｎ２Ｓｅ３、ＩｎＳｎＳ２などである。従って、第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質のうち少なくとも一つは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち１つの金属元素と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン元素と、を含むといえる。しかし、ここで提示した物質（元素）は、例示的なものであり、それ以外に他の物質（元素）が適用されてもよい。
【００６９】
第１二次元物質Ｍ１０と第２二次元物質Ｍ２０は、「半導体」とすることができる。従って、第１二次元物質Ｍ１０は、第１二次元半導体であり、第２二次元物質Ｍ２０は、第２二次元半導体であり、二次元物質要素１００は、半導体要素であるといえる。その場合、第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０のうち一つは、ｐ型半導体であり、他の一つは、ｎ型半導体とすることができる。あるいは、第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０は、互いに異なるエネルギーバンドギャップを有することができる。
【００７０】
また、第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０のうち少なくとも一つは、ｐ型ドポントまたはｎ型ドーパントでドーピングされることができる。ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントとしては、一般的な二次元物質に係わるｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントを使用することができる。例えば、グラフェンやＣＮＴ（carbon nanotube）などに使用されるｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントを、本実施形態の二次元物質要素１００に適用することができる。ｐ型ドーパントやｎ型ドーパントは、イオン注入（ion implantation）方式や化学的ドーピング方式でドーピングされてもよい。
【００７１】
例えば、ｐ型ドーパントのソースとしては、ＮＯ２ＢＦ４、ＮＯＢＦ４、ＮＯ２ＳｂＦ６などのイオン性液体；ＨＣｌ、Ｈ２ＰＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、Ｈ２ＳＯ４、ＨＮＯ３などの酸類化合物、ジクロロジシアノキノン（ＤＤＱ）、オキソン、ジミリストイルホスファチジルイノシトール（ＤＭＰＩ）、トリフルオロメタンスルホンイミドなどの有機化合物などを使用することができる。または、ｐ型ドーパントのソースとしては、ＨＰｔＣｌ４、ＡｕＣｌ３、ＨＡｕＣｌ４、ＡｇＯＴｆ（トリフルオロメタンスルホン酸銀）、ＡｇＮＯ３、Ｈ２ＰｄＣｌ６、Ｐｄ（ＯＡｃ）２、Ｃｕ（ＣＮ）２などの物質を使用することができる。ｎ型ドーパントのソースとしては、置換もしくは非置換のニコチンアミドの還元物、置換もしくは非置換のニコチンアミドと化学的に結合している化合物の還元物、及び２以上のピリジニウム誘導体を含み、１以上のピリジニウム誘導体の窒素が還元された化合物などを使用することができる。例えば、ｎ型ドーパントのソースは、ＮＭＮＨ（nicotinamide mononucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＨ（nicotinamide adenine dinucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＰＨ（nicotinamide adenine dinucleotide phosphate−Ｈ）を含むか、あるいはビオローゲンを含んでもよい。または、ｎ型ドーパントのソースは、ＰＥＩ（polyethylenimine）などのポリマーを含んでもよい。または、ｎ型ドーパントは、Ｋ、Ｌｉなどのアルカリ金属を含んでもよい。しかし、ここで開示したｐ型ドーパント物質（ソース）とｎ型ドーパント物質（ソース）は、例示的なものであり、それ以外に、多様な物質が使用されてもよい。
【００７２】
図２は、本発明の一側面による二次元物質要素１００Ａを示す図面である。本実施形態は、二次元物質要素１００ＡがＰＮ接合構造を有する場合を示している。
【００７３】
図２を参照すれば、二次元物質要素１００Ａは、第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１を含むことができる。第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１は、それぞれ図１の第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０に対応する。本実施形態において、第１二次元物質Ｍ１１は、ｎ型半導体であり、第２二次元物質Ｍ２１は、ｐ型半導体とすることができる。その場合、第１二次元物質Ｍ１１の第１金属カルコゲナイド系物質と、第２二次元物質Ｍ２１の第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なる金属元素を含むことができる。また、第１二次元物質Ｍ１１の第１金属カルコゲナイド系物質と、第２二次元物質Ｍ２１の第２金属カルコゲナイド系物質は、同一のカルコゲン元素を含むことができる。しかし、場合によっては、第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１が同一の金属元素を含み、互いに異なるカルコゲン元素を含むこともできる。
【００７４】
第１二次元物質Ｍ１１は、第１金属元素Ｍ１及び第１カルコゲン元素Ｘ１を含み、第２二次元物質Ｍ２１は、第２金属元素Ｍ２及び第２カルコゲン元素Ｘ２を含むことができる。ここで、第１金属元素Ｍ１及び第２金属元素Ｍ２は、遷移金属元素または非遷移金属元素であってもよい。第１金属元素Ｍ１と第２金属元素Ｍ２は、互いに異なり、第１カルコゲン元素Ｘ１と第２カルコゲン元素Ｘ２は、同一とすることができる。金属カルコゲナイド物質において、金属元素が変われば、導電型（ｐ型、ｎ型）が変化する。従って、第１二次元物質Ｍ１１がｎ型であり、第２二次元物質Ｍ２１がｐ型である場合、それらの金属元素は、互いに異なる。しかし、ある金属元素の場合、結合しているカルコゲン元素が変わることにより、導電型（ｐ型、ｎ型）が変わる。従って、場合によっては、第１金属元素Ｍ１と第２金属元素Ｍ２とが互いに同一であり、第１カルコゲン元素Ｘ１と第２カルコゲン元素Ｘ２とが互いに異なるものとすることもできる。
【００７５】
第１二次元物質Ｍ１１は、ｎ型半導体特性を有する金属カルコゲナイド系物質であり、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち少なくとも一つを含むことができる。第２二次元物質Ｍ２１は、ｐ型半導体特性を有する金属カルコゲナイド系物質であり、ＷＳ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２及びＮｂＳｅ２のうち少なくとも一つを含むことができる。一例として、第１二次元物質Ｍ１１は、ｎ型半導体特性を有するＭｏＳ２を含み、第２二次元物質Ｍ２１は、ｐ型半導体特性を有するＷＳ２を含む。ＭｏとＷは、同じ族の金属であり、原子サイズの差（共有結合半径差：０．０８Å）が金属（Ｍｏ）とＳとの間隔（１．５４Å）に比べてかなり小さいので、中心金属元素が変更されても、格子不整合（lattice mismatch）がほとんど発生しない。従って、ＭｏＳ２とＷＳ２とが化学結合しているとき、それらの結合部（接合部）には、格子不整合がないか、あるいはほとんどない。参考までに、ＭｏとＷとの原子半径は、１３９ｐｍと同じであり、Ｍｏの共有結合半径は、１５４±５ｐｍであり、Ｗの共有結合半径は、１６２±７ｐｍである。
【００７６】
下記表１は、ｎ型半導体特性を有する金属カルコゲナイド系物質と、ｐ型半導体特性を有する金属カルコゲナイド系物質との例を整理したものである。
【００７７】
【表１】
2015090984.tif 000003
【００７８】
第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１のうち少なくとも一つは、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントでドーピングされることができる。第１二次元物質Ｍ１１がｎ型半導体である場合、第１二次元物質Ｍ１１に、ｎ型ドーパントをドーピングすることができ、場合によっては、ｐ型ドーパントをドーピングすることもできる。それと同様に、第２二次元物質Ｍ２１がｐ型半導体である場合、第２二次元物質Ｍ２１に、ｐ型ドーパントをドーピングするか、あるいはｎ型ドーパントをドーピングすることができる。一例として、第２二次元物質Ｍ２１がＷＳ２（ｐ型）である場合、ｐ型ドーパントであるＡｕＣｌ３をドーピングするか、あるいはｎ型ドーパントであるＫをドーピングすることができる。すなわち、同一タイプのドーパントをドーピングするか、あるいは反対タイプのドーパントをドーピングすることができる。前述の反対タイプのドーパントをドーピングすることにより、物質の半導体タイプを変化させることもできる。
【００７９】
図３は、本発明の他の側面による二次元物質要素１００Ｂを示す図面である。本実施形態は、二次元物質要素１００Ｂが、エネルギーバンドギャップが異なる複数の二次元物質Ｍ１２，Ｍ２２を有する場合を示す。
【００８０】
図３を参照すれば、二次元物質要素１００Ｂは、第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２を含んでもよい。第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２は、それぞれ図１の第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０に対応する。本実施形態において、第１二次元物質Ｍ１２と第２二次元物質Ｍ２２は、互いに異なるエネルギーバンドギャップ（以下、バンドギャップ）を有することができる。すなわち、第１二次元物質Ｍ１２は、第１バンドギャップ（1st band gap）を有することができ、第２二次元物質Ｍ２２は、第１バンドギャップと異なる第２バンドギャップ（2nd band gap）を有することができる。その場合、第１二次元物質Ｍ１２の第１金属カルコゲナイド系物質と、第２二次元物質Ｍ２２の第２金属カルコゲナイド系物質は、互いに異なるカルコゲン元素を含むことができる。また、第１二次元物質Ｍ１２の第１金属カルコゲナイド系物質と、第２二次元物質Ｍ２２の第２金属カルコゲナイド系物質は、同一の金属元素を含むことができる。しかし、場合によっては、第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２が互いに異なる金属元素を含むこともできる。
【００８１】
第１二次元物質Ｍ１２は、第１金属元素Ｍ１’及び第１カルコゲン元素Ｘ１’を含み、第２二次元物質Ｍ２２は、第２金属元素Ｍ２’及び第２カルコゲン元素Ｘ２’を含むことができる。ここで、第１カルコゲン元素Ｘ１’と第２カルコゲン元素Ｘ２’は、互いに異なるものとすることができる。第１金属元素Ｍ１’と第２金属元素Ｍ２’は、同一であってもよいが、互いに異なってもよい。金属カルコゲナイド物質において、カルコゲン元素が変われば、バンドギャップが変化する。従って、互いに異なるカルコゲン元素を含む第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２を化学的に結合させることにより、バンドギャップが異なる複数の領域を有する二次元物質要素１００Ｂを具現することができる。
【００８２】
具体的な例として、第１二次元物質Ｍ１２は、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２のうち一つを含み、第２二次元物質Ｍ２２は、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２のうち他の一つを含むことができる。または、第１二次元物質Ｍ１２は、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち一つを含み、第２二次元物質Ｍ２２は、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち他の一つを含むこともできる。ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のバンドギャップ及び半導体タイプ（導電型）を整理すれば、下記表２の通りである。
【００８３】
【表２】
2015090984.tif 000004
【００８４】
一方、ＲｅＳｅ２のバンドギャップは、１．３０ｅＶであり、ＳｎＳｅ２のバンドギャップは、１．４０ｅＶであり、ＧａＳのバンドギャップは、２．４０ｅＶであり、ＧａＳｅのバンドギャップは、２．３０ｅＶであり、ＧａＴｅのバンドギャップは、２．００ｅＶであり、ＧｅＳｅのバンドギャップは、１．６０ｅＶであり、Ｉｎ２Ｓｅ３のバンドギャップは、１．４１ｅＶである。バルクＣｕＳのバンドギャップは、１．６０ｅＶであり、バルクＩｎＳｎＳ２のバンドギャップは、１．４５ｅＶである。ＲｅＳｅ２、ＳｎＳｅ２、ＧａＳ、ＧａＳｅ、ＧａＴｅ、ＧｅＳｅ、Ｉｎ２Ｓｅ３、ＣｕＳ、ＩｎＳｎＳ２のうち一つが、第１二次元物質Ｍ１２または第２二次元物質Ｍ２２として適用されてもよい。
【００８５】
本実施形態のように、同一平面上構造で、金属カルコゲナイド系物質の組成を変化させれば、バンドギャップが互いに異なる複数の領域（すなわち、第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２）を有する二次元物質要素１００Ｂを具現することができる。その場合、第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２は、化学結合しているために、その界面には、電気的バリアがないか、あるいはほとんどない。第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２の界面に、電気的バリアが存在するとしても、その厚みは、原子１つの厚みほどと極めて薄いために、実際には、バリアのように作用しない。従って、二次元物質要素１００Ｂは、界面問題なしに、優秀な特性を示すことができる。一方、互いに異なる２つの物質（半導体）が物理的にコンタクトされた場合、それらの界面において、バンド変形（band bending）が生じ、有効な厚みを有する電気的バリアが形成されるために、それにより、電荷（例えば、電子）の流れが円滑になされない。
【００８６】
さらに、図３の第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２のうち少なくとも一つに、ｐ型ドーパントまたはｎ型ドーパントをドーピングすることにより、それらの特性を追加して制御することができる。ｐ型ドーパント及びｎ型ドーパントの種類は、図１を参照して説明したところと同一である。
【００８７】
図１から図３では、単層構造（二次元平面構造）を有する二次元物質要素１００，１００Ａ，１００Ｂについて図示して説明したが、二次元物質要素１００，１００Ａ，１００Ｂの単層構造（二次元平面構造）が反復して積層された構造も可能である。その一例が、図４に図示されている。
【００８８】
図４を参照すれば、二次元物質要素１０００は、図１の単層構造（二次元平面構造）を有する二次元物質要素１００（以下、単位物質層）が反復して積層された構造を有することができる。例えば、約１０層以内の数層の単位物質層１００が積層されてもよい。場合によっては、単位物質層１００は、約１００層まで積層されてもよい。単位物質層１００の第１二次元物質Ｍ１０は、図２の第１二次元物質Ｍ１１、または図３の第１二次元物質Ｍ１２と同一のものとすることができる。また、単位物質層１００の第２二次元物質Ｍ２０は、図２の第２二次元物質Ｍ２１または図３の第２二次元物質Ｍ２２と同一のものとすることができる。
【００８９】
単位物質層１００が反復して積層されても、二次元物質の特性は維持される。電子構造的に、二次元物質は、状態密度（ＤＯＳ：density of state）が量子井戸の挙動に従う物質であると定義することができる。複数の単位物質層１００が積層された（約１００層以下に積層された）二次元物質要素１０００でも、状態密度（ＤＯＳ）が量子井戸挙動に従うため、かような観点で、図４の物質要素１０００を「二次元物質」といえる。
【００９０】
さらに、図４の構造では、第１二次元物質Ｍ１０上に、さらに第１二次元物質Ｍ１０が積層され、第２二次元物質Ｍ２０上に、さらに第２二次元物質Ｍ２０が積層される場合について図示して説明したが、他の実施形態においては、第１二次元物質Ｍ１０上に、第２二次元物質Ｍ２０が積層され、第２二次元物質Ｍ２０上に、第１二次元物質Ｍ１０が積層されてもよい。すなわち、ランダムに積層される構造（ランダム積層構造）も可能である。
【００９１】
また、図１から図４では、第１二次元物質Ｍ１０，Ｍ１１，Ｍ１２と、第２二次元物質Ｍ２０，Ｍ２１，Ｍ２２との境界部に、「カルコゲン元素」が存在する場合を図示したが、境界部に、「カルコゲン元素」ではない「金属元素」が位置することもできる。言い換えれば、所定の「金属元素」を基準に、第１二次元物質Ｍ１０，Ｍ１１，Ｍ１２と、第２二次元物質Ｍ２０，Ｍ２１，Ｍ２２と、が分けられる。
【００９２】
図５は、本発明の他の実施形態による二次元物質要素１１０Ａを示す断面図である。
【００９３】
図５を参照すれば、二次元物質要素１１０Ａは、第１二次元物質Ｍ１３、第２二次元物質Ｍ２３及び第３二次元物質Ｍ３３を含むことができる。第２二次元物質Ｍ２３の両側に、第１二次元物質Ｍ１３及び第３二次元物質Ｍ３３が化学結合することができる。第１二次元物質Ｍ１３、第２二次元物質Ｍ２３及び第３二次元物質Ｍ３３のうち少なくとも二つは、互いに異なる半導体タイプ（導電型）を有することができる。第１二次元物質Ｍ１３は、図２の第１二次元物質Ｍ１１に対応し、第２二次元物質Ｍ２３は、図２の第２二次元物質Ｍ２１に対応するか、あるいはその反対であってもよい。第３二次元物質Ｍ３３は、第１二次元物質Ｍ１３と同一の物質及び特性を有することができる。従って、二次元物質要素１１０Ａは、ＰＮＰ構造またはＮＰＮ構造を有することができる。すなわち、第１二次元物質Ｍ１３及び第３二次元物質Ｍ３３は、ｐ型半導体であり、第２二次元物質Ｍ２３は、ｎ型半導体であるか、あるいはその反対であってもよい。図５に図示されていないが、第１二次元物質Ｍ１３または第３二次元物質Ｍ３３の側面に、少なくとも１つの他の二次元物質がさらに配置されてもよい。
【００９４】
図６は、本発明の他の実施形態による二次元物質要素１１０Ｂを示す断面図である。
【００９５】
図６を参照すれば、二次元物質要素１１０Ｂは、第１二次元物質Ｍ１４、第２二次元物質Ｍ２４及び第３二次元物質Ｍ３４を含むことができる。第２二次元物質Ｍ２４の両側に、第１二次元物質Ｍ１４及び第３二次元物質Ｍ３４が化学結合することができる。第１二次元物質Ｍ１４、第２二次元物質Ｍ２４及び第３二次元物質Ｍ３４のうち少なくとも二つは、互いに異なるバンドギャップを有することができる。第１二次元物質Ｍ１４、第２二次元物質Ｍ２４及び第３二次元物質Ｍ３４は、互いに異なるバンドギャップ（第１バンドギャップから第３バンドギャップ（band gap 1，band gap 2，band gap 3））を有することができる。第１二次元物質Ｍ１４、第２二次元物質Ｍ２４及び第３二次元物質Ｍ３４のうち一つは、図３の第１二次元物質Ｍ１２に対応し、第１二次元物質Ｍ１４、第２二次元物質Ｍ２４及び第３二次元物質Ｍ３４のうち他の一つは、図３の第２二次元物質Ｍ２２に対応する。第３二次元物質Ｍ３４は、第１二次元物質Ｍ１４及び第２二次元物質Ｍ２４と異なる物質であってもよい。具体的な例として、二次元物質要素１１０Ｂは、ＭｏＳ２−ＭｏＳｅ２−ＭｏＴｅ２構造を有するか、あるいはＷＳ２−ＷＳｅ２−ＷＴｅ２構造を有することができる。図６に図示されていないが、第１二次元物質Ｍ１４、または第３二次元物質Ｍ３４の側面に、少なくとも１つの他の二次元物質がさらに配置されてもよい。
【００９６】
図５及び図６の単位構造（単位物質層）は、図４で説明したように、反復して積層されてもよい。
【００９７】
本発明の実施形態による二次元物質要素において異種の二次元物質は、多様なパターンを形成することができる。その例が、図７から図１０に図示されている。
【００９８】
図７は、本発明の他の実施形態による二次元物質要素１１１Ａを示す斜視図である。図７を参照すれば、基板ＳＵＢ１０上に、二次元物質要素１１１Ａが配置されることができる。二次元物質要素１１１Ａは、複数の第１二次元物質Ｍ１５と複数の第２二次元物質Ｍ２５とが二次元的に（平面的に）配列されている構造を有することができる。第１二次元物質Ｍ１５と第２二次元物質Ｍ２５は、ナノスケールからマイクロススケールのドメインであってもよい。例えば、第１二次元物質Ｍ１５及び第２二次元物質Ｍ２５それぞれは、約１０ｎｍ以上の幅を有することができる。図７では、第１二次元物質Ｍ１５及び第２二次元物質Ｍ２５を四角形に図示し、それが規則的に配列された場合を図示しているが、それは、例示的なものであり、第１二次元物質Ｍ１５及び第２二次元物質Ｍ２５の形態及び配列方式が異なってもよい。第１二次元物質Ｍ１５及び第２二次元物質Ｍ２５の形態は、制限がなく、それらは、不規則に（ランダムに）配列されてもよい。例えば、図２３に図示されているように、二次元物質要素１１１Ａ’は、複数の第１二次元物質Ｍ１５’及び複数の第２二次元物質Ｍ２５’がランダムに不規則に配列された構造を有することができる。第１二次元物質Ｍ１５’及び第２二次元物質Ｍ２５’は、不規則的な様相を有することができる。さらに、本発明の他の実施形態によれば、二次元物質要素は、垂直方向にランダムな構造を有することもできる。例えば、図２４に図示されているように、二次元物質要素１１１Ａ”は、複数の第１二次元物質Ｍ１５”及び複数の第２二次元物質Ｍ２５”が垂直方向及び／または水平方向にランダムに不規則に配列された構造を有することができる。図２４の構造は、前述の「ランダム積層構造」と類似している。
【００９９】
図７において、第１二次元物質Ｍ１５及び第２二次元物質Ｍ２５は、それぞれ図２の第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１に対応する。従って、第１二次元物質Ｍ１５は、ｎ型であり、第２二次元物質Ｍ２５は、ｐ型であり、二次元物質要素１１１Ａは、ＰＮ構造を有することができる。
【０１００】
図８は、本発明の他の実施形態による二次元物質要素１１２Ａを示す斜視図である。図８を参照すれば、二次元物質要素１１２Ａは、第１二次元物質Ｍ１６と第２二次元物質Ｍ２６とが相互に反復して配置された構造（平面構造）を含むことができる。第１二次元物質Ｍ１６及び第２二次元物質Ｍ２６は、ライン形状を有することができる。従って、二次元物質要素１１２Ａは、縞模様パターンを有するといえる。第１二次元物質Ｍ１６及び第２二次元物質Ｍ２６は、それぞれ図２の第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１に対応する。従って、第１二次元物質Ｍ１６は、ｎ型であり、第２二次元物質Ｍ２６は、ｐ型であり、二次元物質要素１１２Ａは、ＰＮ構造を有することができる。
【０１０１】
図９は、本発明の他の実施形態による二次元物質要素１１２Ｂを示す斜視図である。図９の二次元物質要素１１２Ｂは、図８と類似した構造を有することができる。ただし、図９で、第１二次元物質Ｍ１７及び第２二次元物質Ｍ２７は、それぞれ図３の第１二次元物質Ｍ１２及び第２二次元物質Ｍ２２に対応する。従って、二次元物質要素１１２Ｂは、バンドギャップが互いに異なる二次元物質Ｍ１７，Ｍ２７が相互に反復配置された構造を有するといえる。
【０１０２】
図１０は、本発明の他の実施形態による二次元物質要素１１３Ｂを示す斜視図である。図１０の二次元物質要素１１３Ｂは、第１二次元物質Ｍ１８、第２二次元物質Ｍ２８及び第３二次元物質Ｍ３８を含むことができる。第１二次元物質Ｍ１８、第２二次元物質Ｍ２８及び第３二次元物質Ｍ３８は、側傍に反復して配置されてもよい。第１二次元物質Ｍ１８、第２二次元物質Ｍ２８及び第３二次元物質Ｍ３８は、互いに異なるバンドギャップを有することができる。例えば、第１二次元物質Ｍ１８、第２二次元物質Ｍ２８及び第３二次元物質Ｍ３８は、それぞれ図６の第１二次元物質Ｍ１４、第２二次元物質Ｍ２４及び第３二次元物質Ｍ３４に対応する。
【０１０３】
図７から図１０に図示されたパターンは、例示的なものであり、パターンの形態及びサイズなどは、多様に変更することができる。
【０１０４】
以下では、本発明の実施形態による二次元物質要素の形成方法について説明する。
【０１０５】
図１１Ａから図１１Ｃは、本発明の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【０１０６】
図１１Ａを参照すれば、前駆体溶液ＰＳ１を準備する。前駆体溶液ＰＳ１は、第１金属カルコゲナイド系物質の前駆体（以下、第１前駆体）、及び第２金属カルコゲナイド系物質の前駆体（以下、第２前駆体）を含むことができる。例えば、第１前駆体及び第２前駆体を所定の溶媒（有機溶媒）に混合し、前駆体溶液ＰＳ１を準備する。第１前駆体は、例えば、ｎ型半導体特性を有する金属カルコゲナイド系物質の前駆体であり、第２前駆体は、例えば、ｐ型半導体特性を有する金属カルコゲナイド系物質の前駆体とすることができる。第１前駆体は、ｎ型半導体特性を有するＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち１つの前駆体であり、第２前駆体は、ｐ型半導体特性を有するＷＳ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２及びＮｂＳｅ２のうち１つの前駆体であってもよい。一例として、ＭｏＳ２の前駆体（第１前駆体）として、（ＮＨ４）２ＭｏＳ４を使用することができ、ＷＳ２の前駆体（第２前駆体）として、（ＮＨ４）２ＷＳ４を使用することができる。一方、溶媒（有機溶媒）としては、例えば、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）を使用することができる。ＤＭＦに、（ＮＨ４）２ＭｏＳ４及び（ＮＨ４）２ＷＳ４を、それぞれ０．１２５ｗｔ％ずつ混合し、前駆体溶液ＰＳ１を製造することができる。しかし、それは例示的なものであり、第１前駆体及び第２前駆体の物質、並びに溶媒種類及び混合の割合は、異なってもよい。
【０１０７】
図１１Ｂを参照すれば、前駆体溶液ＰＳ１（図１１Ａ）を基板ＳＵＢ１上に塗布し、薄膜１０を形成することができる。基板ＳＵＢ１は、半導体基板、導電性基板または絶縁性基板とすることができる。例えば、基板ＳＵＢ１は、シリコンのような半導体を含むか、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｒｕのような導電体（金属）を含むか、あるいはシリコン酸化物、サファイアのような絶縁体を含んでもよい。基板ＳＵＢ１の物質は、特別に制限されないので、多様な基板が使用されてもよい。薄膜１０は、スピンコーティング、ディップコーティング、バーコーティングなど多様なコーティング方法で形成することができる。薄膜１０は、ナノメートルレベル（すなわち、ナノスケール）の薄い厚みを有することができる。薄膜１０を形成する間、または薄膜１０を形成した後、図１１Ａで説明した溶媒のほとんどは、薄膜１０から除去される。
【０１０８】
図１１Ｃを参照すれば、薄膜１０（図１１Ｂ）から、二次元物質層１０Ａを形成することができる。二次元物質層１０Ａは、第１前駆体から形成された第１金属カルコゲナイド系物質を含む第１二次元物質１Ａと、第２前駆体から形成された第２金属カルコゲナイド系物質を含む第２二次元物質２Ａとから構成されることができる。第１二次元物質１Ａと第２二次元物質２Ａは、化学結合することができる。第１二次元物質１Ａ及び第２二次元物質２Ａは、それぞれ図２の第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１、または図７の第１二次元物質Ｍ１５及び第２二次元物質Ｍ２５に対応する。第１二次元物質１Ａは、ｎ型半導体であり、第２二次元物質２Ａは、ｐ型半導体であるか、あるいはその反対であってもよい。二次元物質層１０Ａは、ＰＮ接合構造を有することができる。
【０１０９】
薄膜１０から、複数の二次元物質１Ａ，２Ａが化学結合した二次元物質層１０Ａを形成するために、薄膜１０に対するアニーリング（熱処理）工程を行うことができる。アニーリング工程は、例えば、３００〜２，０００℃ほどの温度範囲で行うことができる。このようなアニーリング工程により、第１前駆体から、第１金属カルコゲナイド系物質が形成され、第２前駆体から、第２金属カルコゲナイド系物質が形成される。例えば、第１前駆体が（ＮＨ４）２ＭｏＳ４である場合、（ＮＨ４）２ＭｏＳ４から（ＮＨ４）２が除去（気化）され、ＭｏＳ４がＭｏＳ２に変化する。そして、第２前駆体が（ＮＨ４）２ＷＳ４の場合、（ＮＨ４）２ＷＳ４から（ＮＨ４）２が除去（気化）され、ＷＳ４がＷＳ２に変化する。その場合、第１二次元物質１Ａは、ＭｏＳ２から構成され、第２二次元物質２Ａは、ＷＳ２から構成されることができる。図１１Ａ段階で、前駆体溶液ＰＳ１に添加する第１前駆体及び第２前駆体の含有量を調節すれば、図１１Ｃ段階で形成される第１二次元物質１Ａと第２二次元物質２Ａとの量／面積を調節することができる。図１１Ｃでは、第１二次元物質１Ａと第２二次元物質２Ａとを四角形で図示し、それらが規則的に配列された場合を図示したが、第１二次元物質１Ａ及び第２二次元物質２Ａの形態は制限がなく、それらは、不規則に（ランダムに）配列されてもよい。例えば、図２３に図示されているように、二次元物質要素１１１Ａ’は、複数の第１二次元物質Ｍ１５’及び複数の第２二次元物質Ｍ２５’がランダムに不規則に配列された構造を有することができる。第１二次元物質Ｍ１５’及び第２二次元物質Ｍ２５’は、不規則的な様相を有することができる。さらに、本発明の他の実施形態によれば、二次元物質要素は、垂直方向にランダムな構造を有することもできる。例えば、図２４に図示されているように、二次元物質要素１１１Ａ”は、複数の第１二次元物質Ｍ１５”及び複数の第２二次元物質Ｍ２５”が垂直及び／または水平方向にランダムに不規則に配列された構造を有することができる。図２４の構造は、前述の「ランダム積層構造」と類似している。
【０１１０】
薄膜１０に対するアニーリング段階で、薄膜１０が配置されたチャンバ内に、所定のカルコゲン系物質を注入する。カルコゲン系物質は、例えば、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち一つを含んでもよい。もし第１前駆体及び第２前駆体が、それぞれ（ＮＨ４）２ＭｏＳ４及び（ＮＨ４）２ＷＳ４である場合、カルコゲン系物質は、Ｓを含んでもよい。アニーリング段階において、カルコゲン系物質を注入すれば、第１二次元物質１Ａ及び第２二次元物質２Ａをさらに容易に形成することができる。また、追加的なアニーリング（熱処理）段階をさらに行うこともできる。この追加的なアニーリング段階も、３００〜２，０００℃ほどの温度で行われてもよい。
【０１１１】
さらに、図１１Ｂの薄膜１０を、図１１Ｃの二次元物質層１０Ａに変化させる段階において、一次アニーリング工程を行った後、カルコゲン系物質の注入段階及び二次アニーリング工程をさらに行うことができる。すなわち、一次アニーリング工程を行った後、反応チャンバ（アニーリングチャンバ）内に、カルコゲン系物質を注入しながら、二次アニーリング工程を行うことができる。カルコゲン系物質は、例えば、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち一つを含んでもよい。一次アニーリング工程及び二次アニーリング工程は、３００〜２，０００℃ほどの温度範囲で行うことができる。
【０１１２】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【０１１３】
図１２Ａを参照すれば、基板ＳＵＢ１上に、第１金属酸化物１ｂ及び第２金属酸化物２ｂを含む薄膜２０を形成することができる。複数の第１金属酸化物１ｂと、複数の第２金属酸化物２ｂとが所定のパターンを形成することができる。一例として、図示されているように、第１金属酸化物１ｂ及び第２金属酸化物２ｂが縞模様パターンを形成することができる。第１金属酸化物１ｂは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち１つの酸化物を含んでもよい。第２金属酸化物２ｂは、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち他の１つの酸化物を含んでもよい。一例として、第１金属酸化物１ｂは、ＭｏＯ３から形成することができ、第２金属酸化物２ｂは、ＷＯ３から形成することができる。基板ＳＵＢ１上に、まず複数の第１金属酸化物１ｂのパターンを形成した後、それらの間に、第２金属酸化物２ｂのパターンを形成することにより、薄膜２０を形成することができる。このとき、フォトリソグラフィ工程、電子ビームリソグラフィ工程またはナノインプリント工程などを使用することができる。または、薄膜２０は、固体酸化物の昇華（sublimation）／蒸発（evaporation）／スパッタリングなどによって形成することもでき、金属薄膜を蒸着した後、それを酸化させて得ることもできる。必要によっては、薄膜２０の形成時、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）工程またはエッチバック工程を行うこともできる。
【０１１４】
図１２Ｂを参照すれば、第１金属酸化物１ｂ及び第２金属酸化物２ｂから、それぞれ第１金属カルコゲナイド系物質及び第２金属カルコゲナイド系物質を形成し、第１金属カルコゲナイド系物質を含む第１二次元物質１Ｂと、第２金属カルコゲナイド系物質を含む第２二次元物質２Ｂとを具備する二次元物質層２０Ａを形成することができる。第２二次元物質２Ｂは、第１二次元物質１Ｂの側面に化学結合してもよい。第１二次元物質１Ｂ及び第２二次元物質２Ｂは、それぞれ図２の第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１、または図８の第１二次元物質Ｍ１６及び第２二次元物質Ｍ２６に対応する。第１二次元物質１Ｂは、ｎ型半導体であり、第２二次元物質２Ｂは、ｐ型半導体であるか、あるいはその反対であってもよい。二次元物質層２０Ａは、ＰＮ接合構造を有することができる。
【０１１５】
二次元物質層２０Ａを形成するために、反応チャンバ（アニーリングチャンバ）内に、カルコゲン系物質を注入しながら、アニーリング工程を行うことができる。カルコゲン系物質は、例えば、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち一つを含んでもよい。もし第１金属酸化物１ｂ及び第２金属酸化物２ｂが、それぞれＭｏＯ３及びＷＯ３であり、形成する金属カルコゲナイド物質が、ＭｏＳ２及びＷＳ２である場合、カルコゲン系物質は、Ｓを含んでもよい。すなわち、反応チャンバ（アニーリングチャンバ）にＳを供給しながら、薄膜２０に対するアニーリング工程を行えば、ＭｏＯ３及びＷＯ３を、それぞれＭｏＳ２及びＷＳ２に変化させることができる。ＭｏＳ２は、第１二次元物質１Ｂの一例であり、ＷＳ２は、第２二次元物質２Ｂの一例である。金属酸化物１Ｂ，２Ｂの物質、及び使用するカルコゲン系物質の種類によって、形成される二次元物質１Ｂ，２Ｂの種類が変わる。アニーリング工程は、例えば、３００〜２，０００℃ほどの温度範囲で行うことができる。その後、追加的なアニーリング工程をさらに行うこともできる。この追加的なアニーリング工程も、３００〜２，０００℃ほどの温度で行うことができる。
【０１１６】
図１２Ａにおいて、第１金属酸化物１ｂ及び第２金属酸化物２ｂのパターンは、多様に変化し、それにより、図１２Ｂで形成される第１二次元物質１Ｂ及び第２二次元物質２Ｂのパターンも多様に変化する。従って、所望する形態のパターンを有する二次元物質層を形成することができる。
【０１１７】
図１２Ａ及び図１２Ｂでは、第１金属酸化物１ｂ及び第２金属酸化物２ｂから、第１カルコゲナイド系物質及び第２カルコゲナイド系物質を形成することにより、第１二次元物質１Ｂ及び第２二次元物質２Ｂを形成する場合について説明したが、ここで、第１金属酸化物１ｂ及び第２金属酸化物２ｂは、それぞれ第１金属及び第２金属に代替されてもよい。言い換えれば、第１金属及び第２金属から、第１カルコゲナイド系物質及び第２カルコゲナイド系物質を形成することにより、第１二次元物質１Ｂ及び第２二次元物質２Ｂを形成することもできる。このとき、第１金属及び第２金属は、互いに異なる金属であってもよい。第１カルコゲナイド系物質及び第２カルコゲナイド系物質を形成するために、第１金属及び第２金属をカルコゲン系物質と反応させることができる。例えば、第１金属は、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ及びＰｂのうち一つを含み、第２金属は、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ及びＰｂのうち他の一つを含んでもよい。カルコゲン系物質は、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのうち一つを含んでもよい。
【０１１８】
図１３Ａから図１３Ｅは、本発明の他の実施形態による二次元物質要素の形成方法を示す斜視図である。
【０１１９】
図１３Ａを参照すれば、基板ＳＵＢ１上に、金属酸化物を含む薄膜３０を形成することができる。薄膜３０は、金属酸化物膜であってもよい。金属酸化物は、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち１つの酸化物を含んでもよい。一例として、金属酸化物は、ＭｏＯ３を含んでもよい。
【０１２０】
図１３Ｂを参照すれば、薄膜３０上に、所定のマスク層ＭＬ１を形成することができる。マスク層ＭＬ１は、薄膜３０の一部領域を露出させる所定のパターン構造を有することができる。マスク層ＭＬ１は、例えば、金属物質から形成することができ、縞模様パターンの露出領域を有することができる。マスク層ＭＬ１の形態は、図示されたところに限定されるものではなく、多様に変形されてもよい。
【０１２１】
図１３Ｃを参照すれば、マスク層ＭＬ１によってカバーされずに露出された薄膜３０領域の金属酸化物を、第１金属カルコゲナイド系物質に変化させ、第１二次元物質１Ｃを形成することができる。反応チャンバ（アニーリングチャンバ）内に、第１カルコゲン系物質を注入しながら、アニーリング工程を行うことにより、露出された薄膜３０領域の金属酸化物を、第１カルコゲン系物質と反応させ、第１二次元物質１Ｃを形成することができる。アニーリング工程は、例えば、３００〜２，０００℃ほどの温度範囲で行うことができる。第１カルコゲン系物質は、例えば、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち一つを含んでもよい。もし金属酸化物がＭｏＯ３であり、形成する金属カルコゲナイド物質がＭｏＳ２である場合、第１カルコゲン系物質は、Ｓを含むことができる。すなわち、反応チャンバ（アニーリングチャンバ）にＳを供給しながら、薄膜３０に対するアニーリング工程を行えば、露出された薄膜３０領域がＭｏＳ２に変化する。第１二次元物質１Ｃが形成された薄膜を３０Ａと表示する。薄膜３０Ａにおいて、マスク層ＭＬ１で隠された領域は、依然として金属酸化物領域である。この領域を参照番号２ｃと表示する。
【０１２２】
次に、マスク層ＭＬ１を除去する。図１３Ｃにおいて、マスク層ＭＬ１を除去した結果物は、図１３Ｄのようである。
【０１２３】
その後、残留した金属酸化物領域２ｃを第２金属カルコゲナイド系物質に変化させ、図１３Ｅに図示されているように、第２二次元物質２Ｃを形成することができる。反応チャンバ（アニーリングチャンバ）内に、第２カルコゲン系物質を注入しながら、アニーリング工程を行うことにより、残留した金属酸化物領域２ｃの金属酸化物を、第２カルコゲン系物質と反応させ、第２二次元物質２Ｃを形成することができる。アニーリング工程は、例えば、３００〜２，０００℃ほどの温度範囲で行うことができる。第２カルコゲン系物質は、例えば、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち一つを含んでもよい。もし金属酸化物がＭｏＯ３であり、形成する金属カルコゲナイド物質がＭｏＴｅ２である場合、第２カルコゲン系物質は、Ｔｅを含むことができる。すなわち、反応チャンバ（アニーリングチャンバ）にＴｅを供給しながら、薄膜３０Ａに対するアニーリング工程を行えば、金属酸化物領域２ｃがＭｏＴｅ２に変化する。第２カルコゲン系物質は、第１二次元物質１Ｃより、金属酸化物領域２ｃと容易に反応するために、第１二次元物質１Ｃは、そのまま維持されながら、金属酸化物領域２ｃだけ、第２二次元物質２Ｃに変化する。このように形成された第２二次元物質２Ｃは、第１二次元物質１Ｃと化学結合する。第１二次元物質１Ｃ及び第２二次元物質２Ｃが形成された薄膜を、二次元物質層３０Ｂとする。
【０１２４】
二次元物質層３０Ｂは、図９の二次元物質要素１１２Ｂに対応する。二次元物質層３０Ｂの第１二次元物質１Ｃは、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２のうち一つを含み、第２二次元物質２Ｃは、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２のうち他の一つを含んでもよい。または、第１二次元物質１Ｃは、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち一つを含み、第２二次元物質２Ｃは、ＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２のうち他の一つを含んでもよい。前述の第１二次元物質１Ｃと第２二次元物質２Ｃとの具体的な物質は、例示的なものであり、それらは多様に変更され得る。
【０１２５】
場合によっては、図１３Ｄの段階で、第１二次元物質１Ｃを選択的にカバーする第２マスク層（図示せず）を形成した後、第２マスク層によってカバーされずに露出された金属酸化物領域２ｃを、第２二次元物質２Ｃに変化させる工程を行うこともできる。
【０１２６】
また、図１３Ａから図１３Ｅの実施形態においては、２種の二次元物質１Ｃ，２Ｃを含む二次元物質層３０Ｂを形成する場合について図示して説明したが、この方法を変形すれば、３種以上の二次元物質を含む二次元物質層を形成することができる。このとき、上記の３種以上の二次元物質は、例えば、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２及びＭｏＴｅ２を含むか、あるいはＷＳ２、ＷＳｅ２及びＷＴｅ２を含んでもよい。結果として、図１０に図示されているような二次元物質層を形成することができる。
【０１２７】
さらに、図１３Ａから図１３Ｅでは、出発薄膜３０が金属酸化物である場合を示しているが、他の実施形態によれば、出発薄膜３０は、金属であってもよい。言い換えれば、金属から形成された薄膜３０から、第１二次元物質１Ｃ及び第２二次元物質２Ｃを形成することもできる。その場合、薄膜３０の第１金属領域は、第１カルコゲン系物質と反応し、第１二次元物質１Ｃを形成することができ、薄膜３０の第２金属領域は、第２カルコゲン系物質と反応し、第２二次元物質２Ｃを形成することができる。上記の金属は、例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ及びＰｂのうち一つを含み、第１カルコゲン物質及び第２カルコゲン系物質は、例えば、Ｓ、Ｓｅ及びＴｅのうち一つを含んでもよい。本発明の実施形態による二次元物質要素は、多様な半導体素子（電子素子）にさまざまな目的に適用されることができる。例えば、本発明の実施形態による二次元物質要素は、ダイオード、太陽電池、光検出器、トランジスタ、トンネリング素子、メモリ素子、論理素子、発光素子、エネルギー保存素子、ディスプレイ素子など多様な素子に適用される。トランジスタはＦＥＴ（field effect transistor）、ＴＦＴ（thin film transistor）、ＢＪＴ（binary junction transistor）、バリアトランジスタ（barrier transistor）（すなわち、barristor）など多様な構造を有することができる。上記の二次元物質要素は、ＰＮ接合を利用する素子であるならば、いかなる素子にも適用され、既存のＳｉ利用素子のＳｉの代わりに適用され、積層型素子、フレキシブル素子及び透明素子などに適用されてもよい。本発明の実施形態による二次元物質要素は、二次元物質であるために、フレキシブルであり、非常に薄い厚みを有するため、透明な特性を有することができる。従って、そのような物質は、積層型素子、フレキシブル素子及び透明素子などに有用に／有利に適用される。
【０１２８】
本発明の実施形態による半導体素子は、図１から図１０を参照して説明した二次元物質要素を含む物質層（半導体層）を具備することができる。例えば、上記の半導体素子は、多層構造体を含み、上記の多層構造体は、上記の二次元物質要素を含む半導体層、及び上記の半導体層の少なくとも一面に配置された少なくとも１層の非半導体層を含むことができる。上記の半導体層は、二次元物質層とすることができる。上記の少なくとも１層の非半導体層は、少なくとも１つの導電層及び／または少なくとも１つの絶縁層を含むことができる。上記の導電層は、導電性二次元物質層を含み、上記の絶縁層は、絶縁性二次元物質層を含むことができる。例えば、上記の導電性二次元物質層は、グラフェンなどを含み、上記の絶縁性二次元物質層は、ｈ−ＢＮ（hexagonal boron nitride）などを含んでもよい。しかし、上記の非半導体層は、二次元物質でなくてもよい。一般的な半導体工程で使用する多様な絶縁物質及び導電物質を、上記の非半導体層に適用することができる。上記の絶縁物質は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、シリコン窒化物より誘電定数が大きい高誘電物質（アルミニウム酸化物、ハフニウム酸化物など）、絶縁性有機物（ポリマー）などを含んでもよい。上記の導電物質は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔなどの金属や、金属化合物、導電性有機物（ポリマー）などを含んでもよい。もし上記の非半導体層を二次元物質から形成すれば、半導体素子の主要構成要素がいずれも二次元物質から構成されるので、素子の小型化及び高集積化などに有利となる。また、フレキシブル素子及び透明素子などの具現が可能である。
【０１２９】
以下では、図１４から図２２を参照して、本発明の実施形態による二次元物質要素を含む多様な半導体素子について例示的に説明する。
【０１３０】
図１４は、本発明の実施形態によることにより、二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。本実施形態は、トンネリング素子の一例を示している。
【０１３１】
図１４を参照すれば、本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体層（new 2D material）ＳＬ１０が設けられ、半導体層ＳＬ１０の第１面（例えば、下面）に、第１導電層（ＣＬ１０）が配置されることができる。半導体層ＳＬ１０の第２面（例えば、上面）に第２導電層ＣＬ２０が配置されることができる。第２導電層ＣＬ２０上に、絶縁層ＮＬ１０が配置され、絶縁層ＮＬ１０上に、第３導電層ＣＬ３が配置されることができる。半導体層ＳＬ１０は、図１から図１０を参照して説明した実施形態による二次元物質要素を含むことができる。従って、半導体層ＳＬ１０は、サイド方向に化学結合している複数の二次元物質を含むことができる。また、半導体層ＳＬ１０は、ＰＮ構造、ＰＮＰ構造、ＮＰＮ構造などを有するか、あるいはバンドギャップが互いに異なる複数の領域を有することができる。本実施形態において、半導体層ＳＬ１０は、トンネリング層とすることができる。第１導電層ＣＬ１０は、ドレイン電極とし、第２導電層ＣＬ２０は、ソース電極とし、第３導電層ＣＬ３０は、ゲート電極とすることができる。絶縁層ＮＬ１０は、ゲート絶縁層とすることができる。第３導電層ＣＬ３０によって、半導体層ＳＬ１０の電気的特性、または第２導電層ＣＬ２０と半導体層ＳＬ１０との界面の電気的特性が制御される。半導体層ＳＬ１０を介した電荷のトンネリングにより、第１導電層ＣＬ１０及び第２導電層ＣＬ２０の間に電流が流れることができる。
【０１３２】
図１４で、第１導電層ＣＬ１０、第２導電層ＣＬ２０及び第３導電層ＣＬ３０は、導電性二次元物質から形成されるか、あるいは二次元物質ではない一般的な導電物質から形成されてもよい。特に、第２導電層ＣＬ２０は、グラフェンのような導電性二次元物質から形成される。また、絶縁層ＮＬ１０は、ｈ−ＢＮのような絶縁性二次元物質から形成されるか、あるいは二次元物質ではない一般的な絶縁物質から形成されてもよい。
【０１３３】
図１５は、本発明の他の実施形態によるものであり、二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。本実施形態は、ＢＪＴ素子の一例を示している。
【０１３４】
図１５を参照すれば、本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体層ＳＬ１１が設けられr、その両側に、第１絶縁層ＮＬ１１及び第２絶縁層ＮＬ２１が配置されることができる。すなわち、第１絶縁層ＮＬ１１及び第２絶縁層ＮＬ２１の間に、半導体層ＳＬ１１が配置される。第１絶縁層ＮＬ１１を挟んで、半導体層ＳＬ１１に対向する第１導電層ＣＬ１１がさらに配置されることができる。第２絶縁層ＮＬ２１を挟んで、半導体層ＳＬ１１に対向する第２導電層ＣＬ２１がさらに配置されることができる。半導体層ＳＬ１１は、図１から図１０を参照して説明した実施形態による二次元物質要素を含むことができる。従って、半導体層ＳＬ１１は、サイドに化学結合している複数の二次元物質を含むことができる。また、半導体層ＳＬ１１は、ＰＮ構造、ＰＮＰ構造、ＮＰＮ構造などを有するか、あるいはバンドギャップが互いに異なる複数の領域を有することができる。本実施形態において、半導体層ＳＬ１１は、トンネリング層とすることができる。また、半導体層ＳＬ１１は、ベースとすることができる。第１導電層ＣＬ１１は、エミッタとすることができ、第２導電層ＣＬ２１は、コレクタとすることができる。エミッタ及びコレクタは、電極要素である。第１絶縁層ＮＬ１１は、第１バリア層とすることができ、第２絶縁層ＮＬ２１は、第２バリア層とすることができる。第１絶縁層ＮＬ１１は、トンネリングバリア層とすることもでき、第２絶縁層ＮＬ２１は、フィルタリングバリア層とすることもできる。本実施形態の半導体素子は、一般的なＢＪＴ素子と類似した方式で動作される。
【０１３５】
図１６は、本発明の他の実施形態によるものであり、二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。本実施形態は、バリアトランジスタ（すなわち、barristor）の一部を例示的に示している。
【０１３６】
図１６を参照すれば、本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体層ＳＬ１２が設けられ、半導体層ＳＬ１２に接触した第１導電層ＣＬ１２が設けられることができる。第１導電層ＣＬ１２と離隔された第２導電層ＣＬ２２が設けられることができる。第１導電層ＣＬ１２と第２導電層ＣＬ２２との間に、絶縁層ＮＬ１２が配置されることができる。半導体層ＳＬ１２は、図１から図１０を参照して説明した実施形態による二次元物質要素を含むことができる。本実施形態において、半導体層ＳＬ１２は、チャンネル層の役割を行うことができる。第１導電層ＣＬ１２は、半導体層ＳＬ１２との界面で、ショットキーバリアを形成する役割を行うことができる。絶縁層ＮＬ１２は、ゲート絶縁層とすることができ、第２導電層ＣＬ２２は、ゲート電極とすることができる。第２導電層ＣＬ２２に印加された電圧によって、ショットキーバリアの高さが調節され、素子のオン／オフ（ＯＮ／ＯＦＦ）が制御される。図示されていないが、半導体層ＳＬ１２に接触したソース電極及びドレイン電極がさらに設けられることができる。ショットキーバリアの高さが低いとき、ソース電極及びドレイン電極を介して電流が流れ、ショットキーバリアの高さが高いとき、電流の流れが遮断される。ここで、第１導電層ＣＬ１２がグラフェンから形成された場合、本実施形態の素子は、グラフェンバリスタであるといえる。
【０１３７】
図１７は、本発明の他の実施形態によるものであり、二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。本実施形態は、ＦＥＴ素子を例示的に示している。光検出器も、図１７の構造と類似した構造を有することができる。
【０１３８】
図１７を参照すれば、本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体層ＳＬ１３が設けられ、半導体層ＳＬ１３の一側（例えば、下面）に、絶縁層ＮＬ１３が配置されることができる。絶縁層ＮＬ１３を挟んで、半導体層ＳＬ１３と対向する第１導電層ＣＬ１３が設けられることができる。半導体層ＳＬ１３の他側（例えば、上面）に、互いに離隔された第２導電層ＣＬ２３及び第３導電層ＣＬ３３が配置されることができる。半導体層ＳＬ１３は、図１から図１０を参照して説明した実施形態による二次元物質要素を含むことができる。本実施形態において、半導体層ＳＬ１３は、チャンネル層とすることができる。半導体層ＣＬ１３は、例えば、ＰＮＰ構造またはＮＰＮ構造を有することができる。絶縁層ＮＬ１３は、ゲート絶縁層とすることができ、第１導電層ＣＬ１３は、ゲート電極とすることができる。第２導電層ＣＬ２３及び第３導電層ＣＬ３３は、それぞれソース電極及びドレイン電極とすることができる。半導体層ＣＬ１３がＰＮＰ構造を有する場合、第２導電層ＣＬ２３及び第３導電層ＣＬ３３は、半導体層ＣＬ１３のＰ領域に接触する。半導体層ＣＬ１３がＮＰＮ構造を有する場合、第２導電層ＣＬ２３及び第３導電層ＣＬ３３は、半導体層ＣＬ１３のＮ領域に接触する。図１７の構造が光検出器として使用される場合、半導体層ＳＬ１３は、光活性層である。
【０１３９】
図１８は、本発明の他の実施形態によるものであり、二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。本実施形態は、メモリ素子の一例を例示的に示している。このとき、メモリ素子は、電荷トラップメモリ素子とすることができる。
【０１４０】
図１８を参照すれば、本発明の実施形態による二次元物質要素を含む第１半導体層ＳＬ１４が設けられ、第１半導体層ＳＬ１４の両面に、それぞれ絶縁層ＮＬ１４及び第１導電層ＣＬ１４が配置されることができる。例えば、第１半導体層ＳＬ１４の下面に、絶縁層ＮＬ１４が配置され、第１半導体層ＳＬ１４の上面に、第１導電層ＣＬ１４が配置されることができる。絶縁層ＮＬ１４の下面に、第２半導体層ＳＬ２４が配置されることができる。第２半導体層ＳＬ２４は、二次元半導体を含むが、二次元半導体を含まないこともある。第２半導体層ＳＬ２４に接触した第２導電層ＣＬ２４及び第３導電層ＣＬ３４が設けられることができる。第１半導体層ＳＬ１４は、図１から図１０を参照して説明した実施形態による二次元物質要素を含むことができる。本実施形態において、第１半導体層ＳＬ１４は、電荷トラップ層とすることができる。絶縁層ＮＬ１４は、トンネルバリア層とすることができ、第１導電層ＣＬ１４は、ゲート電極とすることができる。第２半導体層ＳＬ２４は、チャンネル層とすることができ、第２導電層ＣＬ２４及び第３導電層ＣＬ３４は、それぞれソース電極及びドレイン電極とすることができる。第１半導体層ＳＬ１４の電荷トラップいかんによって、第２導電層ＣＬ２４及び第３導電層ＣＬ３４の間に流れる電流の量が異なるということを利用して、データを保存することができる。
【０１４１】
図１４から図１８の構造を、上下を逆転させた構造（すなわち、逆構造）も可能である。例えば、図１８の構造を上下逆転させれば、図１９のようになる。
【０１４２】
また、図１４から図１９の単位構造は、中間絶縁層を挟んで、２回以上反復して積層されてもよい。一例として、図１７の単位構造を２回積層した構造は、図２０のようになる。図２０を参照すれば、図１７の単位構造（単位素子）Ｄ１０，Ｄ２０の二つが中間絶縁層ＮＬ１５を挟んで積層されている。
【０１４３】
図１４から図２０において、絶縁層ＮＬ１０〜ＮＬ１５，ＮＬ２１は、ｈ−ＢＮのような絶縁性二次元物質層であってもよく、二次元物質層でなくともよい。後者の場合、絶縁層ＮＬ１０〜ＮＬ１５，ＮＬ２１は、シリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、シリコン窒化物より誘電定数が大きい高誘電物質（アルミニウム酸化物、ハフニウム酸化物など）、絶縁性有機物（ポリマー）などを含んでもよい。また、図１４から図２０において、導電層ＣＬ１０〜ＣＬ３４は、グラフェンのような導電性二次元物質層であってもよく、二次元物質層でなくともよい。後者の場合、導電層ＣＬ１０〜ＣＬ３４は、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｐｔなどの金属や、金属化合物、導電性有機物（ポリマー）などを含んでもよい。もし絶縁層ＮＬ１０〜ＮＬ１５，ＮＬ２１及び導電層ＣＬ１０〜ＣＬ３４を二次元物質から形成すれば、半導体素子の主要構成要素が、いずれも二次元物質で構成されるので、素子の小型化及び高集積化などに有利である。半導体素子の主要構成要素を二次元物質で構成する場合、単位素子（例えば、単位素子Ｄ１０，Ｄ２０（図２０））のすべて厚みが１０ｎｍ以下と非常に薄くなるので、集積度向上による容量増大などの効果を得ることができる。また、半導体素子の主要構成要素を二次元物質から構成する場合、フレキシブル素子及び透明素子の具現が容易となる。
【０１４４】
フレキシブル素子のための絶縁物質は、ｈ−ＢＮのような絶縁性二次元物質を含むか、有機／無機混成物質を含むか、あるいはＡｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２のような一般的な絶縁性酸化物を含んでもよい。有機／無機混成物質は、例えば、有機／無機混成シロキサンであり、有機／無機混成シロキサンは、例えば、ＳｉＯＣを含んでもよい。フレキシブル素子のための絶縁物質は、約１０ｎｍ以下の厚みを有することができる。フレキシブル素子のための絶縁物質は、層間相互作用のない非常に薄い物質（例えば、二次元物質）であってもよい。絶縁物質が比較的優秀な耐性（toughness）を有する混成物質（例えば、ＳｉＯＣ）である場合、絶縁物質は、約１０ｎｍより厚い厚みを有することができる。
【０１４５】
図２１は、本発明の他の実施形態によるものであり、二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。本実施形態は、ダイオードの一例を示している。
【０１４６】
図２１を参照すれば、基板ＳＵＢ１０１上に、半導体層ＳＬ１０１が配置されてもよい。半導体層ＳＬ１０１は、本発明の実施形態による二次元物質要素を含んでもよい。例えば、半導体層ＳＬ１０１は、第１二次元物質Ｍ１０１及び第２二次元物質Ｍ２０１を含んでもよい。第２二次元物質Ｍ２０１は、第１二次元物質Ｍ１０１の側面に化学結合することができる。第１二次元物質Ｍ１０１及び第２二次元物質Ｍ２０１は、それぞれ図１の第１二次元物質Ｍ１０及び第２二次元物質Ｍ２０に対応する。また、第１二次元物質Ｍ１０１及び第２二次元物質Ｍ２０１は、それぞれ図２の第１二次元物質Ｍ１１及び第２二次元物質Ｍ２１に対応する。その場合、第１二次元物質Ｍ１０１及び第２二次元物質Ｍ２０１は、それぞれｎ型半導体及びｐ型半導体とすることができる。従って、半導体層ＳＬ１０１は、ＰＮ接合構造を有することができる。第１二次元物質Ｍ１０１に接触した第１電極Ｅ１０１が設けられ、第２二次元物質Ｍ２０１に接触した第２電極Ｅ２０１が設けられることができる。第１電極Ｅ１０１及び第２電極Ｅ２０１の形態は、多様に変形されてもよい。
【０１４７】
図２２は、本発明の他の実施形態によるものであり、二次元物質要素を含む半導体素子を示す断面図である。本実施形態は、太陽電池の一例を示している。
【０１４８】
図２２を参照すれば、本発明の実施形態による二次元物質要素を含む半導体層ＳＬ１０２が設けられてもよい。半導体層ＳＬ１０２は、バンドギャップが互いに異なる複数の領域Ｍ１０２，Ｍ２０２，Ｍ３０２を含むことができる。例えば、半導体層ＳＬ１０２は、バンドギャップが互いに異なる第１二次元物質Ｍ１０２、第２二次元物質Ｍ２０２及び第３二次元物質Ｍ３０２を含むことができる。第１二次元物質Ｍ１０２、第２二次元物質Ｍ２０２及び第３二次元物質Ｍ３０２は、例えば、図６の第１二次元物質Ｍ１４、第２二次元物質Ｍ２４及び第３二次元物質Ｍ３４にそれぞれ対応する。半導体層ＳＬ１０２の第１面（例えば、下面）に、第１電極Ｅ１０２が配置され、半導体層ＳＬ１０２の第２面（例えば、上面）に第２電極Ｅ２０１が配置されることができる。第１電極Ｅ１０２及び第２電極Ｅ２０１は、透明電極とすることができる。第２電極Ｅ２０１の上側に、光エネルギー（light energy）が半導体層ＳＬ１０２に入射されることができる。第１二次元物質Ｍ１０２、第２二次元物質Ｍ２０２及び第３二次元物質Ｍ３０２は、互いに異なるバンドギャップを有するため、広い領域（広域）の光エネルギーが、第１二次元物質Ｍ１０２、第２二次元物質Ｍ２０２及び第３二次元物質Ｍ３０２を介して吸収される。すなわち、第１二次元物質Ｍ１０２は、第１波長領域の光を吸収し、第２二次元物質Ｍ２０２は、第２波長領域の光を吸収し、第３二次元物質Ｍ３０２は、第３波長領域の光を吸収することができる。従って、半導体層ＳＬ１０２を介して吸収される光の波長領域を広げることができ、結果として、エネルギー変換効率を高めることができる。一方、参照番号Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、それぞれ第１二次元物質Ｍ１０２、第２二次元物質Ｍ２０２及び第３二次元物質Ｍ３０２で吸収されずに透過された光（透過光）を示す。
【０１４９】
前述の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するものではなく、具体的な実施形態の例示として解釈されなければならない。例えば、本発明が属する技術分野で当業者であるならば、図１から図１０、図２３及び図２４の二次元物質要素の構成は、多様に変形され得るということを理解することができるであろう。具体的な例として、二次元物質Ｍ１０，Ｍ２０は、金属カルコゲナイド系物質以外に、他の物質から構成され、二次元物質Ｍ１０，Ｍ２０は、半導体特性ではない導電性または絶縁性を有するということも理解することができるであろう。また、図１１Ａから図１１Ｃ、図１２Ａ及び図１２Ｂ、そして図１３Ａから図１３Ｅを参照して説明した二次元物質要素の製造方法も、多様に変形され得るということを理解することができるであろう。そして、本発明の実施形態による二次元物質要素を含む素子の構造は、図１４から図２２の構造に限定されるものではなく、多様に変形され得るということを理解することができるであろう。従って、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって定められるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１５０】
本発明の二次元物質及びその形成方法、並びに該二次元物質を含む素子は、例えば、電子機器関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【符号の説明】
【０１５１】
１ｂ  第１金属酸化物
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，２Ａ， Ｍ１０〜Ｍ１８，Ｍ１５’，Ｍ１５”，Ｍ１０１，Ｍ１０２  第１二次元物質
２ｂ  第２金属酸化物
２ｃ  金属酸化物領域
２Ｂ，２Ｃ，Ｍ２５’，Ｍ２５”，Ｍ２０１，Ｍ２０２  第２二次元物質
１０，１０Ａ，２０，３０，３０Ａ  薄膜
２０Ａ，３０Ｂ  二次元物質層
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１１０Ａ，１１０Ｂ，１１１Ａ，１１１Ａ’，１１１Ａ”，１１２Ａ，１１２Ｂ，１１３Ｂ，１０００  二次元物質要素
ＣＬ１０〜ＣＬ３４  導電層
Ｄ１０，Ｄ２０  単位素子
Ｅ１０１  第１電極
Ｅ２０１  第２電極
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３  光
Ｍ１，Ｍ１’，Ｍ２，Ｍ２’  金属元素
Ｍ２０〜Ｍ２８  第２二次元物質
Ｍ３３，Ｍ３４，Ｍ３８，Ｍ３０２  第３二次元物質
ＭＬ１  マスク層
ＮＬ１０〜ＮＬ１５  絶縁層
ＰＳ１  前駆体溶液
ＳＵＢ１，ＳＵＢ１０，ＳＵＢ１０１  基板
ＳＬ１０〜ＳＬ２４，ＳＬ１０１，ＳＬ１０２  半導体層
Ｘ１，Ｘ１’，Ｘ２，Ｘ２’  カルコゲン元素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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