(57)【要約】【課題】二次元物質を含む半導体素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】二次元物質を含む半導体素子及びその製造方法に係り、該半導体素子は、少なくとも１つのドーピングされた二次元物質を含む光電子素子でもあり、該光電子素子は、第１電極と第２電極との間に半導体層を含み、第１電極及び第２電極のうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェンを含み、該半導体層は、約０．１ｅＶ以上または約０．３ｅＶ以上の内部電位を有し、該第１電極及び第２電極のうち一つは、ｐ−ドーピングされたグラフェンを含み、他の一つは、ｎ−ドーピングされたグラフェンを含み、あるいは第１電極及び第２電極のうち一つは、ｐ−ドーピングされたグラフェンまたはｎ−ドーピングされたグラフェンを含み、他の一つは、金属性物質を含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極と離隔された第２電極と、
前記第１電極及び第２電極間に具備された半導体活性層と、を含み、
前記第１電極及び第２電極のうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェンを具備し、
前記半導体活性層は、０．１ｅＶ以上の内部電位を有する光電子素子。
【請求項２】
前記第１電極及び第２電極のうち一つは、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含み、
前記第１電極及び第２電極のうち他の一つは、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含むことを特徴とする請求項１に記載の光電子素子。
【請求項３】
前記第１電極及び第２電極のうち一つは、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たグラフェンを含み、
前記第１電極及び第２電極のうち他の一つは、金属性物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の光電子素子。
【請求項４】
前記ドーピングされたグラフェンと、前記金属性物質との仕事関数差は、０．１〜５ｅＶであることを特徴とする請求項３に記載の光電子素子。
【請求項５】
前記半導体活性層の内部電界は、０．３〜１００ＭＶ／ｃｍであることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項６】
前記半導体活性層は、前記第１電極に隣接した第１領域、及び前記第２電極に隣接した第２領域を含み、
前記第１領域及び第２領域のうち少なくとも一つは、ドーピングされた領域であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項７】
前記第１電極が第１タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体活性層の前記第１領域は、前記第１タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされ、かつ／または、
前記第２電極が第２タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体活性層の前記第２領域は、前記第２タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされたことを特徴とする請求項６に記載の光電子素子。
【請求項８】
前記半導体活性層の前記第１領域及び第２領域は、相互離隔されるか、あるいは相互接触したことを特徴とする請求項６または７に記載の光電子素子。
【請求項９】
前記半導体活性層は、二次元形状の結晶構造を有する二次元半導体を含むことを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項１０】
前記二次元半導体は、金属カルコゲナイド系物質を含み、
前記金属カルコゲナイド系物質は、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９に記載の光電子素子。
【請求項１１】
前記半導体活性層は、量子ドットを含むことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項１２】
前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体活性層のうち少なくとも一つは、二次元物質を含むことを特徴とする請求項１から１１の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項１３】
前記半導体活性層の内部電位は、５ｅＶ以下であることを特徴とする請求項１から１２の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項１４】
前記光電子素子は、光検出器または光電素子であることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項１５】
前記光検出器は、自家発電型光検出器であることを特徴とする請求項１４に記載の光電子素子。
【請求項１６】
前記第１電極に接触した第１コンタクト電極と、
前記第２電極に接触した第２コンタクト電極と、をさらに含むことを特徴とする請求項１から１５の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項１７】
前記第１コンタクト電極及び前記第２コンタクト電極は、水平方向に相互離隔されたことを特徴とする請求項１６に記載の光電子素子。
【請求項１８】
前記第１コンタクト電極及び前記第２コンタクト電極は、垂直方向に相互離隔されたことを特徴とする請求項１６に記載の光電子素子。
【請求項１９】
前記第１電極は、前記半導体活性層に対して第１方向に延長され、
前記第２電極は、前記半導体活性層に対して、前記第１方向と反対方向である第２方向に延長されたことを特徴とする請求項１から１８の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項２０】
前記第１電極は、前記半導体活性層に対して第１方向に延長され、
前記第２電極は、前記半導体活性層に対して、前記第１方向と垂直の第２方向に延長されたことを特徴とする請求項１から１８の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項２１】
前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体活性層は、１つの単位セルを構成し、
前記光電子素子は、複数の前記単位セルを含み、
前記複数の単位セルの第１端部にそれぞれ連結された複数の第１コンタクト電極、及び前記複数の単位セルの第２端部に共通して連結された第２コンタクト電極をさらに含むことを特徴とする請求項１から２０の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項２２】
第１電極と、
前記第１電極と離隔された第２電極と、
前記第１電極及び第２電極間に具備され、二次元半導体及び量子ドットのうち少なくとも一つを含む半導体活性層と、を具備し、
前記半導体活性層は、前記第１電極及び第２電極間に、０．１ｅＶ以上の内部電位を有する光電子素子。
【請求項２３】
前記第１電極及び第２電極のうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェンを含むことを特徴とする請求項２２に記載の光電子素子。
【請求項２４】
前記第１電極及び第２電極のうち一つは、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含み、
前記第１電極及び第２電極のうち他の一つは、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含むことを特徴とする請求項２３に記載の光電子素子。
【請求項２５】
前記第１電極及び第２電極のうち一つは、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たグラフェンを含み、
前記第１電極及び第２電極のうち他の一つは、金属性物質を含むことを特徴とする請求項２３に記載の光電子素子。
【請求項２６】
前記半導体活性層は、前記第１電極に隣接した第１領域、及び前記第２電極に隣接した第２領域を含み、
前記第１領域及び第２領域のうち少なくとも一つは、ドーピングされた領域であることを特徴とする請求項２２から２５の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項２７】
前記第１電極が第１タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体活性層の前記第１領域は、前記第１タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされ、かつ／または、
前記第２電極が第２タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体活性層の前記第２領域は、前記第２タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされたことを特徴とする請求項２６に記載の光電子素子。
【請求項２８】
前記二次元半導体は、金属カルコゲナイド系物質を含み、
前記金属カルコゲナイド系物質は、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２２から２７の何れか１項に記載の光電子素子。
【請求項２９】
ソース電極と、
前記ソース電極と離隔されたドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極との間に具備された半導体層と、
前記半導体層に電界を印加するためのゲート電極と、を含み、
前記ソース電極及びドレイン電極のうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェンを具備し、前記半導体層は、０．１ｅＶ以上の内部電位を有するトランジスタ。
【請求項３０】
前記ソース電極及びドレイン電極のうち一つは、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含み、
前記ソース電極及びドレイン電極のうち他の一つは、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含むことを特徴とする請求項２９に記載のトランジスタ。
【請求項３１】
前記ソース電極及びドレイン電極のうち一つは、前記ドーピングされたグラフェンを含み、
前記ソース電極及びドレイン電極のうち他の一つは、金属性物質を含むことを特徴とする請求項２９に記載のトランジスタ。
【請求項３２】
前記ドーピングされたグラフェンと、前記金属性物質との仕事関数差は、０．１〜５ｅＶであることを特徴とする請求項３１に記載のトランジスタ。
【請求項３３】
前記半導体層の内部電界は、０．３〜１００ＭＶ／ｃｍであることを特徴とする請求項２９から３２の何れか１項に記載のトランジスタ。
【請求項３４】
前記半導体層は、前記ソース電極に隣接した第１領域、及び前記ドレイン電極に隣接した第２領域を含み、
前記第１領域及び第２領域のうち少なくとも一つは、ドーピングされた領域であることを特徴とする請求項２９から３３の何れか１項に記載のトランジスタ。
【請求項３５】
前記ソース電極が第１タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体層の前記第１領域は、前記第１タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされ、かつ／または、
前記ドレイン電極が第２タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体層の前記第２領域は、前記第２タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされたことを特徴とする請求項３４に記載のトランジスタ。
【請求項３６】
前記半導体層は、二次元半導体及び量子ドットのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２９から３５の何れか１項に記載のトランジスタ。
【請求項３７】
前記半導体層は、トンネリング層であり、
前記トランジスタは、トンネリングトランジスタであることを特徴とする請求項２９から３６の何れか１項に記載のトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子及びその製造方法、さらに詳細には、二次元物質を含む半導体素子及びその製造方法に関する。
【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）構造物である。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）より最小１０倍以上（大きくは、１，０００倍以上）迅速な電荷移動度を有することができる。また、グラフェンは、非常に大きいフェルミ速度（ＶＦ：fermi velocity）を有することができる。このようなグラフェンを始めとする二次元物質は、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】
このような理由で、二次元物質を多様な半導体素子に適用する試みが行われている。しかし、二次元物質を半導体素子に適用するにおいて、多様な技術的問題点が存在し、優秀な特性／性能を確保し難いのである。
【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、二次元物質を含む優秀な性能の半導体素子（例えば、光電子素子、トランジスタ）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、制御されたエネルギーバンド構造を有する半導体素子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、外部電圧が印加されていない状態でも、優秀な光電変換特性を示すことができる光電子素子（optoelectronic device）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、低電力駆動が可能であり、優秀な動作特性を有するトランジスタ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、前記半導体素子（例えば、光電子素子、トランジスタ）の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面によれば、第１電極と、前記第１電極と離隔された第２電極と、前記第１電極及び第２電極の間に具備された半導体活性層と、を含み、前記第１電極及び第２電極のうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェンを具備し、前記半導体活性層は、０．１ｅＶ以上の内部電位（built-in potential）を有する光電子素子が提供される。
【００１０】
前記第１電極及び第２電極のうち一つは、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含み、前記第１電極及び第２電極のうち他の一つは、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含んでもよい。
【００１１】
前記第１電極及び第２電極のうち一つは、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たグラフェンを含み、前記第１電極及び第２電極のうち他の一つは、金属性物質（metallic material）を含んでもよい。
【００１２】
前記ドーピングされたグラフェンと、前記金属性物質との仕事関数差は、約０．１〜５ｅＶほどでもある。
【００１３】
前記半導体活性層の内部電界（built-in electric field）は、約０．３〜１００ＭＶ／ｃｍほどでもある。
【００１４】
前記半導体活性層は、前記第１電極に隣接した第１領域、及び前記第２電極に隣接した第２領域を含み、前記第１領域及び第２領域のうち少なくとも一つは、ドーピングされた領域でもある。
【００１５】
前記第１電極が第１タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体活性層の前記第１領域は、前記第１タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされた領域でもある。
【００１６】
前記第２電極が第２タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体活性層の前記第２領域は、前記第２タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされた領域でもある。
【００１７】
前記半導体活性層の前記第１領域及び第２領域は、相互離隔されるか、あるいは相互接触される。
【００１８】
前記半導体活性層は、二次元形状の結晶構造を有する二次元半導体を含んでもよい。
【００１９】
前記二次元半導体は、金属カルコゲナイド系（metal chalcogenide-based）物質を含んでもよい。
【００２０】
前記金属カルコゲナイド系物質は、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｃｕ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂのうち一つの金属元素と、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅのうち１つのカルコゲン（chalcogen）元素とを含んでもよい。
【００２１】
前記半導体活性層は、量子ドットを含んでもよい。
【００２２】
前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体活性層のうち少なくとも一つは、二次元物質（２Ｄ material）を含んでもよい。
【００２３】
前記半導体活性層の内部電位は、約５ｅＶ以下でもある。
【００２４】
前記光電子素子は、光検出器（photodetector）または光電素子でもある。
【００２５】
前記光検出器は、自家発電型（self-powered）光検出器でもある。
【００２６】
前記光電子素子は、前記第１電極に接触された第１コンタクト電極と、前記第２電極に接触された第２コンタクト電極と、をさらに含んでもよい。
【００２７】
前記第１コンタクト電極及び前記第２コンタクト電極は、水平方向に相互離隔される。
【００２８】
前記第１コンタクト電極及び前記第２コンタクト電極は、垂直方向に相互離隔される。
【００２９】
前記第１電極は、前記半導体活性層に対して第１方向に延長され、前記第２電極は、前記半導体活性層に対して、前記第１方向と反対方向である第２方向に延長される。
【００３０】
前記第１電極は、前記半導体活性層に対して第１方向に延長され、前記第２電極は、前記半導体活性層に対して、前記第１方向と垂直の第２方向に延長される。
【００３１】
前記第１電極、前記第２電極及び前記半導体活性層は、１つの単位セルを構成することができ、前記光電子素子は、複数の前記単位セルを含んでもよい。前記複数の単位セルの第１端部にそれぞれ連結された複数の第１コンタクト電極、及び前記複数の単位セルの第２端部に共通して連結された第２コンタクト電極がさらに具備される。
【００３２】
本発明の他の側面によれば、第１電極と、前記第１電極と離隔された第２電極と、前記第１電極及び第２電極の間に具備され、二次元半導体及び量子ドットのうち少なくとも一つを含む半導体活性層と、を具備し、前記半導体活性層は、前記第１電極及び第２電極の間に０．１ｅＶ以上の内部電位を有する光電子素子が提供される。
【００３３】
前記第１電極及び第２電極のうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェンを含んでもよい。
【００３４】
前記第１電極及び第２電極のうち一つは、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含み、前記第１電極及び第２電極のうち他の一つは、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含んでもよい。
【００３５】
前記第１電極及び第２電極のうち一つは、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たグラフェンを含み、前記第１電極及び第２電極のうち他の一つは、金属性物質を含んでもよい。
【００３６】
前記半導体活性層は、前記第１電極に隣接した第１領域、及び前記第２電極に隣接した第２領域を含み、前記第１領域及び第２領域のうち少なくとも一つは、ドーピングされた領域でもある。
【００３７】
前記第１電極が第１タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体活性層の前記第１領域は、前記第１タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされた領域でもある。
【００３８】
前記第２電極が第２タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体活性層の前記第２領域は、前記第２タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされた領域でもある。
【００３９】
前記二次元半導体は、金属カルコゲナイド系物質を含んでもよい。
【００４０】
前記金属カルコゲナイド系物質は、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んでもよい。
【００４１】
本発明の他の側面によれば、ソース電極と、前記ソース電極と離隔されたドレイン電極と、前記ソース電極とドレイン電極との間に具備された半導体層と、前記半導体層に電界を印加するためのゲート電極と、を含み、前記ソース電極及びドレイン電極のうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェンを具備し、前記半導体層は、０．１ｅＶ以上の内部電位を有するトランジスタが提供される。
【００４２】
前記ソース電極及びドレイン電極のうち一つは、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含み、前記ソース電極及びドレイン電極のうち他の一つは、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェンを含んでもよい。
【００４３】
前記ソース電極及びドレイン電極のうち一つは、前記ドーピングされたグラフェンを含み、前記ソース電極及びドレイン電極のうち他の一つは、金属性物質を含んでもよい。
【００４４】
前記ドーピングされたグラフェンと、前記金属性物質との仕事関数差は、約０．１〜５ｅＶほどでもある。
【００４５】
前記半導体層の内部電界は、約０．３〜１００ＭＶ／ｃｍほどでもある。
【００４６】
前記半導体層は、前記ソース電極に隣接した第１領域、及び前記ドレイン電極に隣接した第２領域を含み、前記第１領域及び第２領域のうち少なくとも一つは、ドーピングされた領域でもある。
【００４７】
前記ソース電極が第１タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体層の前記第１領域は、前記第１タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされた領域でもある。
【００４８】
前記ドレイン電極が第２タイプのドーパントでドーピングされた場合、前記半導体層の前記第２領域は、前記第２タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされた領域でもある。
【００４９】
前記半導体層は、二次元半導体及び量子ドットのうち少なくとも一つを含んでもよい。
【００５０】
前記半導体層は、トンネリング層（tunneling layer）でもある。
【００５１】
前記トランジスタは、トンネリングトランジスタ（tunneling transistor）でもある。
【発明の効果】
【００５２】
本発明によれば、二次元物質を含む優秀な性能の半導体素子（例えば、光電子素子、トランジスタ）を具現することができる。本発明によれば、また、制御されたエネルギーバンド構造を有する半導体素子を具現することができる。本発明によれば、また、外部電圧が印加されていない状態でも、優秀な光電変換特性を示すことができる光電子素子を具現することができる。本発明によれば、また、低電力駆動が可能であって、優秀な動作特性を有するトランジスタを具現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の例示的な一実施形態による光電子素子を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線による断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’線による断面図である。
【図４】図１ないし図３を参照して説明した光電子素子の平衡（equilibrium）状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図５】比較例による光電子素子の平衡状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図６】図５の比較例による光電子素子に外部電圧を印加した場合のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図７】本発明の他の実施形態による光電子素子の平衡状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図８】本発明の他の実施形態による光電子素子の平衡状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図９】本発明の他の実施形態による光電子素子に適用される半導体活性層を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による光電子素子に適用される半導体活性層を示す断面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による光電子素子に適用される半導体活性層を示す断面図である。
【図１２】本発明の他の実施形態による光電子素子に適用される半導体活性層を示す断面図である。
【図１３】本発明の他の実施形態による光電子素子の半導体活性層に適用される量子ドット層（quantum dot layer）の一例を示す断面図である。
【図１４】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【図１５】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【図１６】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【図１７】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【図１８】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【図１９】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【図２０】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す平面図である。
【図２１】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す平面図である。
【図２２】本発明の他の実施形態による光電子素子を示す平面図である。
【図２３】本発明の実施形態によって製造された光電子素子の光学顕微鏡写真である。
【図２４】図２３の光電子素子のゲート電圧（Ｖｇ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性を評価した結果を示すグラフである。
【図２５】図２３の光電子素子のドレイン電圧（Ｖｄ）−ドレイン電流（Ｉｄ）特性を評価した結果を示すグラフである。
【図２６】本発明の実施形態による光電子素子に対する光伝導特性を評価した結果を示す図面である。
【図２７】本発明の例示的な一実施形態によるトランジスタを示す断面図である。
【図２８】図２７の実施形態によるトランジスタの平衡状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【図２９Ａ】本発明の例示的な一実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図２９Ｂ】本発明の例示的な一実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図２９Ｃ】本発明の例示的な一実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図２９Ｄ】本発明の例示的な一実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図２９Ｅ】本発明の例示的な一実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図２９Ｆ】本発明の例示的な一実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図３０Ａ】本発明の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３０Ｂ】本発明の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３０Ｃ】本発明の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３０Ｄ】本発明の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３０Ｅ】本発明の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３１Ａ】本発明の他の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３１Ｂ】本発明の他の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３１Ｃ】本発明の他の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３１Ｄ】本発明の他の実施形態によるものであり、半導体素子に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【図３２Ａ】本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図３２Ｂ】本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図３２Ｃ】本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図３２Ｄ】本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図３２Ｅ】本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図３２Ｆ】本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【図３２Ｇ】本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
以下、本発明の実施形態による二次元物質を含む半導体素子及びその製造方法について、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。詳細な説明全体にかけて、同一参照番号は、同一構成要素を示す。
【００５５】
図１は、本発明の例示的な一実施形態による光電子素子（optoelectronic device）を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線による断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ’線による断面図である。
【００５６】
図１ないし図３を参照すれば、本実施形態による光電子素子は、互いに離隔された第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０と、それらの間に具備された半導体活性層Ｓ１０と、を含んでもよい。所定の基板ＳＵＢ１０上に、第１電極Ｅ１０が具備され、第１電極Ｅ１０の少なくとも一部上に、半導体活性層Ｓ１０が具備され、半導体活性層Ｓ１０の少なくとも一部を覆う第２電極Ｅ２０が具備される。従って、第１電極Ｅ１０、半導体活性層Ｓ１０及び第２電極Ｅ２０それぞれの少なくとも一部は、垂直方向（すなわち、Ｚ軸方向）に互いにオーバーラップ（overlap）される。このような点において前記光電子素子は、「垂直積層構造」を含むといえる。基板ＳＵＢ１０は、例えば、シリコン基板のような半導体基板でもあり、その場合、基板ＳＵＢ１０は、その表面部（上面部）に、シリコン酸化物層のような絶縁層（図示せず）を含んでもよい。絶縁層上に、第１電極Ｅ１０、半導体活性層Ｓ１０及び第２電極Ｅ２０などが具備される。しかし、基板ＳＵＢ１０の具体的な物質は、多様に変化し、絶縁層を使用する場合、その物質も、多様に変化している。基板ＳＵＢ１０は、フレキシブル（flexible）基板や堅い（rigid）基板でもあり、透明な基板や、不透明あるいは半透明の基板でもある。
【００５７】
第１電極Ｅ１０と第２電極Ｅ２０とのうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェン層（doped grapheme layer）を含んでもよい。例えば、第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０のうち一つは、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェン層（すなわち、ｐ−ドーピングされたグラフェン層）（ｐ−Ｇ）を含み、他の一つは、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェン層（すなわち、ｎ−ドーピングされたグラフェン層）（ｎ−Ｇ）を含んでもよい。ここでは、第１電極Ｅ１０が、ｐ−ドーピングされたグラフェン層（ｐ−Ｇ）であり、第２電極Ｅ２０が、ｎ−ドーピングされたグラフェン層（ｎ−Ｇ）である場合を図示しているが、その反対でもよい。ｐ−ドーピングされたグラフェン層（ｐ−Ｇ）の仕事関数は、約４．５ｅＶより大きく、約５．５ｅＶより小さいか、あるいはそれと同じである。例えば、ｐ−ドーピングされたグラフェン層（ｐ−Ｇ）の仕事関数は、４．９〜５．５ｅＶほどでもある。ｎ−ドーピングされたグラフェン層（ｎ−Ｇ）の仕事関数は、約３．５ｅＶより大きいか、あるいはそれと同じであり、約４．５ｅＶより小さい。例えば、ｎ−ドーピングされたグラフェン層（ｎ−Ｇ）の仕事関数は、３．５〜４．３ｅＶほどでもある。ｐ−ドーピングされたグラフェン層（ｐ−Ｇ）と、ｎ−ドーピングされたグラフェン層（ｎ−Ｇ）との仕事関数差は、約０．１〜５ｅＶ、例えば、約０．３〜３ｅＶほどでもある。ドーピングされたグラフェン層は、１〜１０層（または、１〜１００層）ほどのグラフェンを含んでもよい。すなわち、ドーピングされたグラフェン層は、単一グラフェンで構成されるか、あるいは約１０層（または、約１００層）以内の複数のグラフェンが積層された構造を有することができる。単一グラフェンは、面抵抗が１００Ω／ｓｑほどと低く、光吸収率が２．３％ほどに低い。従って、グラフェンは、低い電気抵抗を有する透明電極として使用される。
【００５８】
他の実施形態によれば、第１電極Ｅ１０と第２電極Ｅ２０とのうちいずれか一つは、ドーピングされたグラフェンではない金属性物質（metallic material）、例えば、金属、合金または導電性酸化物などで構成された層でもある。言い換えれば、第１電極Ｅ１０と第２電極Ｅ２０とのうち一つは、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たグラフェン層でもあり、他の一つは、金属性物質で構成された層でもある。その場合、金属性物質の仕事関数は、例えば、約３．５〜６ｅＶほどでもある。また、ドーピングされたグラフェン層と、金属性物質との仕事関数差は、約０．１〜５ｅＶ、例えば、約０．３〜３ｅＶほどでもある。一方、金属性物質と半導体活性層Ｓ１０とのエネルギーバリア（energy barrier）は、約１．５ｅＶ以下、すなわち、０〜１．５ｅＶほどでもある。
【００５９】
半導体活性層Ｓ１０は、二次元形状の結晶構造を有する二次元半導体（２Ｄ（two-dimensional） semiconductor）を含んでもよい。二次元半導体は、金属カルコゲナイド系（metal chalcogenide-based）物質でもある。金属カルコゲナイド系物質は、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。その場合、金属カルコゲナイド系物質は、ＴＭＤＣ（transition metal dichalcogenide）物質でもある。ＴＭＤＣ物質は、例えば、ＭＸ２で表現され、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などでもあり、Ｘは、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅでもある。ＴＭＤＣ物質は、例えば、ＭｏＳ２、ＭｏＳｅ２、ＭｏＴｅ２、ＷＳ２、ＷＳｅ２、ＷＴｅ２、ＺｒＳ２、ＺｒＳｅ２、ＨｆＳ２、ＨｆＳｅ２、ＮｂＳｅ２、ＲｅＳｅ２などでもある。金属カルコゲナイド系物質は、ＭＸ２で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、二次元物質でもあるので、金属カルコゲナイド系物質として適用される。金属カルコゲナイド系物質は、非遷移金属（non-transition metal）を含むカルコゲナイド物質でもある。非遷移金属は、例えば、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｐｂなどでもある。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、金属カルコゲナイド系物質として使用されもする。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などでもある。従って、金属カルコゲナイド系物質は、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）が適用されもする。前述のＴＭＤＣ物質を始めとする金属カルコゲナイド系物質は、光吸収率がシリコン（Ｓｉ）より約１００倍ほど高いので、それを利用すれば、厚みが薄く、かつ高効率を有する光電子素子を具現することができる。半導体活性層Ｓ１０が、二次元半導体を含む場合、半導体活性層Ｓ１０は、単一層の二次元半導体から構成されるか、あるいは二次元平面構造を有する単一層が反復積層された構造を有することもできる。単一層が反復積層されても、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）が量子ウェル挙動（quantum well behavior）による物質と定義される。複数の二次元単位物質層が積層された（約１００層以下に積層された）物質でも、状態密度（ＤＯＳ）が量子ウェル挙動によるために、このような観点から、単一層が反復積層された構造も、「二次元物質（二次元半導体）」であるといえる。
【００６０】
半導体活性層Ｓ１０の物質は、二次元物質（二次元半導体）に限定されるものではなく、二次元物質ではない他の半導体物質でもある。例えば、半導体活性層Ｓ１０は、半導体特性を有する量子ドットを含んでもよい。すなわち、半導体活性層Ｓ１０は、量子ドット含有層（ＱＤ（quantum dot）−containing layer）や量子ドット層（ＱＤ layer）でもある。量子ドット（ＱＤ）は、高い量子収率（quantum yield）と高安定性とを有し、ドットサイズ調節による特性制御が容易であり、溶液工程（solution process）が可能であるという長所がある。半導体活性層Ｓ１０は、二次元物質（二次元半導体）及び量子ドットをいずれも含んでもよい。他の実施形態によれば、半導体活性層Ｓ１０は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅのようなIV族系列の半導体、III−Ｖ族半導体、酸化物半導体、窒化物半導体、窒酸化物半導体など多様な半導体物質のうち少なくとも一つを含んでもよい。
【００６１】
半導体活性層Ｓ１０の厚みは、約０．７ｎｍないし数μｍほどでもある。半導体活性層Ｓ１０が単一層（monolayer）の二次元物質から構成された場合、その厚みは、約０．７ｎｍと非常に薄くなる。もし半導体活性層Ｓ１０が複数の二次元物質層によって構成された場合、その厚みは、数ｎｍないし数十ｎｍほど、または数ｎｍないし数百ｎｍほどでもある。半導体活性層Ｓ１０が二次元物質ではない一般的な半導体物質から構成された場合、その厚みは、ナノスケールであるか、マイクロスケールでもある。その場合、半導体活性層Ｓ１０の厚みは、１μｍ以上と厚くなることもある。場合によっては、半導体活性層Ｓ１０は、数十μｍほどまたは数百μｍほどの厚みを有することもできる。一方、半導体活性層Ｓ１０のエネルギーバンドギャップは、約０．３〜３ｅＶほどでもある。しかし、場合によっては、半導体活性層Ｓ１０のエネルギーバンドギャップは、３ｅＶ以上でもある。
【００６２】
半導体活性層Ｓ１０は、第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０の間に、所定強度の内部電位（built-in potential)を有することができる。例えば、半導体活性層Ｓ１０は、約０．１ｅＶ以上の内部電位を有することができる。内部電位は、０．１〜５ｅＶ、例えば、０．３〜３ｅＶほどでもある。このような半導体活性層Ｓ１０の内部電位は、半導体活性層Ｓ１０の両端に接触した第１電極Ｅ１０と第２電極Ｅ２０との電気的非対称性によって誘発される。例えば、第１電極Ｅ１０によって、それに接触した半導体活性層Ｓ１０一端部の伝導帯（conduction band）及び価電子帯（valence band）のエネルギーレベルが高くなり、第２電極Ｅ２０によって、それに接触した半導体活性層Ｓ１０他端部の伝導帯及び価電子帯のエネルギーレベルが低くなりもする。結果的に、半導体活性層Ｓ１０のエネルギーバンド構造が変形されながら、半導体活性層Ｓ１０の両端間に、約０．１ｅＶ以上または約０．３ｅＶ以上の内部電位が生じる。そのとき、第１電極Ｅ１０のフェルミエネルギーレベル（fermi energy level）は、半導体活性層Ｓ１０の伝導帯より価電子帯に近く（隣接して）位置することができ、第２電極Ｅ２０のフェルミエネルギーレベルは、半導体活性層Ｓ１０の価電子帯より伝導帯に近く（隣接して）位置することができる。半導体活性層Ｓ１０のエネルギーバンド構造については、追って図４を参照し、さらに詳細に説明する。
【００６３】
併せて、半導体活性層Ｓ１０は、第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０間に、所定強度の内部電界（built-in electric field）を有することができる。例えば、半導体活性層Ｓ１０は、約０．３ＭＶ／ｃｍ以上の内部電界を有することができる。内部電界は、０．３〜１００ＭＶ／ｃｍ、例えば、１〜７０ＭＶ／ｃｍほどでもある。
【００６４】
半導体活性層Ｓ１０が、前述の内部電位及び／または内部電界を有することと係わり、本実施形態の光電子素子は、外部印加電圧なしにも、優秀な光伝導特性を示すことができる。すなわち、光によって、半導体活性層Ｓ１０で生じた電子及び正孔は、内部電位／内部電界によって、第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０に容易に移動することができる。内部電位／内部電界がない場合、電子及び正孔の移動のためには、外部電圧を印加する必要がある。その場合、電力消耗が大きくなり、素子／システムの構成が複雑になるという問題がある。しかし、本発明の実施形態によれば、外部電圧を印加せず、優秀な光伝導特性を確保することができるために、消耗電力が少なく、優秀な光電変換効率を有する光電子素子を具現することができる。特に、ドーピングされたグラフェンのような二次元導電体及び／または金属カルコゲナイドのような二次元半導体（または、量子ドット）を利用することにより、優秀な性能を有する光電子素子を容易に具現することができる。
【００６５】
さらに、図１及び図３に図示されているように、第１電極Ｅ１０は、半導体活性層Ｓ１０に対して、第１方向（例えば、Ｙ軸の逆方向）に延長され、第２電極Ｅ２０は、半導体活性層Ｓ１０に対して、第１方向と反対方向である第２方向（例えば、Ｙ軸方向）に延長される。従って、本実施形態の光電子素子は、上から見たとき（図１参照）、一字型構造、あるいはそれと類似した構造を有することができる。また、本実施形態の光電子素子は、第１電極Ｅ１０に接触した（あるいは、電気的に連結された）第１コンタクト電極ＣＥ１０、及び第２電極Ｅ２０に接触した（あるいは、電気的に連結された）第２コンタクト電極ＣＥ２０をさらに含んでもよい。第１コンタクト電極ＣＥ１０と第２コンタクト電極ＣＥ２０は、水平方向、例えば、Ｙ軸方向に互いに離隔される。そのとき、第１コンタクト電極ＣＥ１０と第２コンタクト電極ＣＥ２０は、同一レベル（高さ）に位置するか、あるいはほぼ類似したレベル（高さ）に位置することができる。第１コンタクト電極ＣＥ１０と第２コンタクト電極ＣＥ２０との間に、半導体活性層Ｓ１０が位置することができる。第１電極Ｅ１０は、第１コンタクト電極ＣＥ１０と、半導体活性層Ｓ１０の第１領域（例えば、下面）とを電気的に連結するといえ、第２電極Ｅ２０は、第２コンタクト電極ＣＥ２０と、半導体活性層Ｓ２０の第２領域（例えば、上面）とを電気的に連結するといえる。図２における、第１電極Ｅ１０、半導体活性層Ｓ１０及び第２電極Ｅ２０から構成された積層構造体のＸ軸方向への幅、または図３における、半導体活性層Ｓ１０のＹ軸方向への幅は、例えば、数ｎｍないし数百μｍほどでもある。
【００６６】
一方、第１電極Ｅ１０または第２電極Ｅ２０に適用されるｐ−ドーピングされたグラフェン層、またはｎ−ドーピングされたグラフェン層は、プラズマドーピング工程でドーピングされた層であるか、あるいは化学的ドーピング工程でドーピングされた層でもある。グラフェン層は、プラズマ処理を介してｐ−ドーピングまたはｎ−ドーピングされ、またはドーパントを含む溶液で処理することにより、ｐ−ドーピングまたはｎ−ドーピングされる。プラズマを利用する場合、例えば、窒素プラズマを利用して、グラフェンの炭素（Ｃ）一部を窒素（Ｎ）で置換することにより、ｎ−ドーピングされたグラフェンを得ることができる。化学的ドーピング工程を利用する場合、ｐ−ドーピングのために、例えば、ＡｕＣｌ３、ＦｅＣｌ３、Ａｎ−Ｂｒ、ＴＰＡなどをｐ型ドーパントのソースとして使用することができる。ここで、Ａｎ−Ｂｒは、９，１０−ジブロモ−アントラセンであり、ＴＰＡは、テトラナトリウム１，３，６，８−ピレンテトラスルホン酸である。また、ｐ型ドーパントのソースとして、ジアゾニウム塩を使用することもできるが、ジアゾニウム塩は、例えば、４−ブロモベンゼンジアゾニウムテトラフルオロボラート（４−ＢＢＤＴ）を含んでもよい。ＡｕＣｌ３において、Ａｕがｐ型ドーパントとして作用することができ、ジアゾニウム塩において、臭素（bromine）基がｐ型ドーパントとして作用することができる。また、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（ionic liquid）；ＨＣｌ、Ｈ２ＰＯ４、ＣＨ３ＣＯＯＨ、Ｈ２ＳＯ４、ＨＮＯ３などの酸類化合物（acidic compound）；ジクロロジシアノキノン（ＤＤＱ）、オキソン（oxone）、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（organic compound）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、ＨＰｔＣｌ４、ＨＡｕＣｌ４、トリフルオロメタンスルホン酸銀（ＡｇＯＴｆ）、ＡｇＮＯ３、Ｈ２ＰｄＣｌ６、Ｐｄ（ＯＡｃ）２、Ｃｕ（ＣＮ）２などの物質を使用することができる。化学的ドーピングによるｎ−ドーピングのためには、例えば、電子供与基を有する芳香族分子またはフッ化アンモニウムなどをｎ型ドーパントのソースとして使用することができる。ここで、電子供与基を有する芳香族分子は、例えば、９，１０−ジメチルアントラセン（Ａｎ−ＣＨ３）、１，５−ナフタレンジアミン（Ｎａ−ＮＨ２）などでもある。また、ｎ型ドーパントのソースとしては、ニコチンアミドを含む化合物；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された化合物の還元物；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、ＮＭＮ（ニコチンアミドモノヌクレオチド、nicotinamide mononucleotide）、ＮＡＤ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、nicotinamide adenine dinucleotide）、ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）、ＮＭＮＨ（ニコチンアミドモノヌクレオチド−Ｈ、nicotinamide mononucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＨ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド−Ｈ、nicotinamide adenine dinucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＰＨ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸―Ｈ、nicotinamide adenine dinucleotide phosphate−Ｈ）を含むか、あるいはビオロゲン（viologen）を含んでもよい。ビオロゲンは、例えば、１，１’ジベンジル−４，４’−ビピリジニウムジクロリド、メチルビオロゲンジクロリド水和物、エチルビオロゲンジパーコレート、１，１’ジオクタデシル−４，４’−ビピリジニウムジブロミド、ジオクチルビス（４−ピリジル）ジフェニルビオロゲンなどから構成されたグループのうちから選択的に少なくともいずれか一つを含んでもよい。ビオロゲンは、２つのピリジン構造間に共役（conjugation）が可能な分子構造をさらに含んでもよい。その場合、分子構造は、アリール、アルケニル、アルキニルなどを含んでもよい。または、ｎ型ドーパントのソースは、ポリエチレンアミン（ＰＥＩ）などのポリマーを含んでもよい。ビオロゲンの窒素原子がｎ型ドーパントとして作用することができ、ＰＥＩにおいて、アミン基がｎ型ドーパントとして作用することができる。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もする。
【００６７】
本発明の実施形態による光電子素子は、光検出器（photodetector）または光電素子でもある。光検出器は、外部印加電圧なしに、光伝導特性を示すことができる自家発電型（self-powered）光検出器でもある。光電素子は、例えば、太陽電池でもあり、半導体活性層Ｓ１０が内部電位を有し、２つの電極（第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０）及び半導体活性層Ｓ１０のうち少なくとも一つが二次元物質を含むことと関連して、優秀な光起電（photovoltaic）特性を有することができる。また、本発明の実施形態による光電子素子は、光検出器及び光電素子のような受光素子に適用されるだけではなく、場合によっては、発光素子にも適用される。
【００６８】
図４は、図１ないし図３を参照して説明した光電子素子の平衡（equilibrium）状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。平衡状態は、電極（第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０）に電圧が印加されていない状態でもある。平衡状態では、図４に図示されているように、各電極（第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０）のフェルミエネルギーレベル（ＥＦ）が一致する。図４において、参照符号ＥＶ及びＥＣは、それぞれ価電子帯最高エネルギーレベル（valence band maximum energy level）及び伝導帯最低エネルギーレベル（conduction band minimum energy level）を示し、参照符号ＥＶＡＣは、真空エネルギーレベル（vacuum energy level）を示す。このような表示は、図５ないし図８、及び図２８でも同一である。
【００６９】
図４を参照すれば、第１電極Ｅ１０は、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェン層（すなわち、ｐ−ドーピングされたグラフェン層）でもあり、第２電極Ｅ２０は、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェン層（すなわち、ｎ−ドーピングされたグラフェン層）でもある。その場合、ｐ−ドーピングされたグラフェン層のディラック・ポイント（Dirac point）は、フェルミエネルギーレベル（ＥＦ）より上側に位置することができ、ｎ−ドーピングされたグラフェン層のディラック・ポイントは、フェルミエネルギーレベル（ＥＦ）より下側に位置することができる。第１電極Ｅ１０と第２電極Ｅ２０とが、互いに反対タイプのドーパントでドーピングされることにより、それらの間に存在する半導体活性層Ｓ１０のエネルギーバンドが、図示されているように、傾いた構造を有することができる。すなわち、半導体活性層Ｓ１０の第１電極Ｅ１０側のＥＶ及びＥＣは、上方に上がり、半導体活性層Ｓ１０の第２電極Ｅ２０側のＥＶ及びＥＣは、下方に下がる。従って、第１電極（ｐ−ドーピングされたグラフェン層）Ｅ１０のＥＦは、半導体活性層Ｓ１０のＥＣよりＥＶに近く（隣接して）位置することができ、第２電極（ｎ−ドーピングされたグラフェン層）Ｅ２０のＥＦは、半導体活性層Ｓ１０のＥＶよりＥＣに近く（隣接して）位置することができる。それにより、半導体活性層Ｓ１０は、約０．１ｅＶ以上または約０．３ｅＶ以上の内部電位を有することができる。また、半導体活性層Ｓ１０は、約０．３ＭＶ／ｃｍ以上または約１ＭＶ／ｃｍ以上の内部電界を有することができる。従って、光によって、半導体活性層Ｓ１０で生成される電子ｅと正孔ｈとが、内部電位及び／または内部電界によって、第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０に分離されて移動することができる。それは、すなわち、外部印加電圧なしでも、光伝導特性が誘発されるということを意味する。言い換えれば、内部電位及び／または内部電界によって、光伝導特性が向上し、半導体活性層Ｓ１０内で、電子ｅと正孔ｈとの分離効率が改善されるのである。
【００７０】
図５は、比較例による光電子素子の平衡状態でのエネルギーバンドダイヤグラムを示している。比較例による光電子素子は、図４の光電子素子と類似した構造を有するが、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２にドーピングされていない（undoped）グラフェン層を使用するという点で違いがある。便宜上、図５には、真空エネルギーレベル（vacuum energy level）を図示していない。
【００７１】
図５を参照すれば、ドーピングされていないグラフェン層を、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２として適用した場合、半導体活性層Ｓ１の内部電位がないか、あるいはほぼないために、光伝導特性が示され難く、光電効率が非常に低い。従って、その場合、図６に図示されているように、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の間に、所定の外部電圧を印加する必要がある。
【００７２】
図６は、図５の比較例による光電子素子に、外部電圧を印加した場合のエネルギーバンドダイヤグラムを示している。すなわち、図６は、図５の比較例による光電子素子の第１電極Ｅ１に所定の負（−）の電圧を印加し、第２電極Ｅ２に所定の正（＋）の電圧を印加した場合のエネルギーバンドダイヤグラムである。
【００７３】
図６を参照すれば、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に印加された外部電圧によって、半導体活性層Ｓ１のバンド構造が傾き、結果的に、光伝導特性が示される。しかし、その場合、外部電圧を印加しなければならないために、電力消耗が増加し、素子／システムの構成が複雑になるという短所がある。
【００７４】
しかし、本発明の実施形態によれば、図４を参照して説明したように、外部電圧を印加せずとも優秀な光伝導特性及び高い光電変換効率を得ることができるために、低電力または無電源（zero bias）状態で動作される高性能光電子素子を具現することができる。
【００７５】
図４では、第１電極Ｅ１０として、ｐ−ドーピングされたグラフェン層を使用し、第２電極Ｅ２０として、ｎ−ドーピングされたグラフェン層を使用する場合を図示して説明したが、本発明の他の実施形態によれば、第１電極Ｅ１０及び第２電極Ｅ２０のうち一つは、金属性物質から形成される。このような実施形態について、図７及び図８を参照して説明する。
【００７６】
図７は、本発明の他の実施形態による光電子素子の平衡状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。図７は、第１電極Ｅ１０として、ｐ−ドーピングされたグラフェン層を使用し、第２電極Ｅ２１として、金属性物質層を使用した場合である。
【００７７】
図７を参照すれば、第１電極Ｅ１０としてｐ−ドーピングされたグラフェン層を適用し、第２電極Ｅ２１として金属性物質層を適用した場合、第２電極Ｅ２１の金属性物質層は、第１電極Ｅ１０のｐ−ドーピングされたグラフェン層より小さい仕事関数を有することができる。ｐ−ドーピングされたグラフェン層と、金属性物質層との仕事関数差は、０．１〜５ｅＶほどでもある。または、仕事関数差は、０．３〜３ｅＶほどでもある。第１電極Ｅ１０と第２電極Ｅ２１との間の半導体活性層Ｓ１０には、内部電位及び内部電界が生じる。内部電位及び内部電界は、図４を参照して説明したところと類似しているか、あるいは同一である。
【００７８】
図８は、本発明の他の実施形態による光電子素子の平衡状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。図８は、第１電極Ｅ１１として金属性物質層を使用し、第２電極Ｅ２０として、ｎ−ドーピングされたグラフェン層を使用した場合である。
【００７９】
図８を参照すれば、第１電極Ｅ１１として金属性物質層を適用し、第２電極Ｅ２０としてｎ−ドーピングされたグラフェン層を適用した場合、第１電極Ｅ１１の金属性物質層は、第２電極Ｅ２０のｎ−ドーピングされたグラフェン層より大きい仕事関数を有することができる。ｎ−ドーピングされたグラフェン層と、金属性物質層との仕事関数差は、０．１〜５ｅＶほどでもある。または、仕事関数差は、０．３〜３ｅＶほどでもある。第１電極Ｅ１１と第２電極Ｅ２０との間の半導体活性層Ｓ１０には、内部電位及び内部電界が生じる。内部電位及び内部電界は、図４を参照して説明したところと類似しているか、あるいは同一である。
【００８０】
本発明の実施形態によれば、半導体活性層Ｓ１０の第１電極Ｅ１０，Ｅ１１に隣接した第１領域（第１端部を含む領域）、及び第２電極Ｅ２０，Ｅ２１に隣接した第２領域（第２端部を含む領域）のうち少なくとも一つは、ドーピングされた領域でもある。このような実施形態については、図９ないし図１２を参照して説明する。
【００８１】
図９は、本発明の他の実施形態による光電子素子に適用される半導体活性層Ｓ１０ａの一例を例示的に示す断面図である。
【００８２】
図９を参照すれば、半導体活性層Ｓ１０ａは、第１ドーピング領域ｄ１０及び第２ドーピング領域ｄ２０を含んでもよい。第１ドーピング領域ｄ１０と第２ドーピング領域ｄ２０は、互いに異なるタイプのドーパントでドーピングされた領域でもある。第１ドーピング領域ｄ１０は、第１電極（図示せず）（例えば、図３の第１電極Ｅ１０）に隣接した（あるいは、接触した）領域でもあり、第２ドーピング領域ｄ２０は、第２電極（図示せず）（例えば、図３の第２電極Ｅ２０）に隣接した（あるいは、接触した）領域でもある。第１電極が第１タイプのドーパントでドーピングされた場合、それに隣接した第１ドーピング領域ｄ１０は、第１タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされる。第２電極が第２タイプのドーパントでドーピングされた場合、それに隣接した第２ドーピング領域ｄ２０は、第２タイプと同一タイプのドーパントでドーピングされる。例えば、第１ドーピング領域ｄ１０は、ｐ型ドーパントでドーピングされた領域でもあり、第２ドーピング領域ｄ２０は、ｎ型ドーパントでドーピングされた領域でもある。しかし第１ドーピング領域ｄ１０及び第２ドーピング領域ｄ２０の不純物タイプ（ｐ／ｎ）は、互いに入れ替わりもする。第１ドーピング領域ｄ１０及び第２ドーピング領域ｄ２０それぞれの厚みは、数ｎｍほどであるか、それ以上でもある。第１ドーピング領域ｄ１０と第２ドーピング領域ｄ２０との間には、ドーピングされていない領域（undoped region）が存在することができる。
【００８３】
図９の実施形態では、第１ドーピング領域ｄ１０及び第２ドーピング領域ｄ２０が相互離隔して存在するが、それらの少なくとも一部は、互いに接触されもする。その一例が、図１０に図示されている。図１０を参照すれば、半導体活性層Ｓ１０ｂは、第１ドーピング領域ｄ１１及び第２ドーピング領域ｄ２２を含み、第１ドーピング領域ｄ１１と第２ドーピング領域ｄ２２は、互いに接触される。
【００８４】
図９または図１０の実施形態において、第１ドーピング領域ｄ１０，ｄ１１及び第２ドーピング領域ｄ２０，ｄ２２のうちいずれか一つは、具備されないこともある。言い換えれば、第１ドーピング領域ｄ１０，ｄ１１及び第２ドーピング領域ｄ２０，ｄ２２のうちいずれか一つは、ドーピングされず、ドーピングされていない状態で維持される。例えば、図１１に図示されているように、半導体活性層Ｓ１０ｃは、その一端（下面部）に、ただ１つのドーピング領域ｄ１０を有することができる。または、図１２に図示されているように、半導体活性層Ｓ１０ｄは、その他端（上面部）に、ただ１つのドーピング領域ｄ２０を有することができる。第１電極及び第２電極（図示せず）のうちいずれか一つがドーピングされたグラフェン層において、他の一つが金属性物質層である場合、それら間に具備される半導体活性層は、図１１または図１２のような構造を有することができる。例えば、図１１の半導体活性層Ｓ１０ｃは、図７のような光電子素子の半導体活性層Ｓ１０に適用され、図１２の半導体活性層Ｓ１０ｄは、図８のような光電子素子の半導体活性層Ｓ１０に適用される。しかし、第１電極及び第２電極（図示せず）のうちいずれか一つに金属性物質層を適用する場合でも、図９及び図１０のような半導体活性層Ｓ１０ａ，Ｓ１０ｂを使用することができる。
【００８５】
図９ないし図１２のように、半導体活性層Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄに、少なくとも１つのドーピング領域ｄ１０，ｄ１１，ｄ２０，ｄ２２を具備させた場合、このようなドーピング領域ｄ１０，ｄ１１，ｄ２０，ｄ２２によって、半導体活性層Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄの内部電位及び内部電界がさらに増加することができる。特に、第１電極に接触した半導体活性層の一端部を、第１電極のドーパントと同一タイプのドーパントでドーピングし、第２電極に接触した半導体活性層の他端部を、第２電極のドーパントと同一タイプのドーパントでドーピングした場合、前述の内部電位及び内部電界の強化効果がさらに増大する。
【００８６】
付加的に、図９ないし図１２のドーピング領域ｄ１０，ｄ１１，ｄ２０，ｄ２２は、例えば、プラズマドーピング工程や化学的ドーピング工程によって形成された領域でもある。例えば、Ｃｌ２あるいはＣｌ−が含有された溶液内に、半導体層の少なくとも一部を浸すことにより、半導体層の少なくとも一部をｎ型ドーパントでドーピングすることができる。または、ＮＯｘが含有された溶液において、半導体層の少なくとも一部を処理することにより、半導体層の少なくとも一部をｐ型ドーパントでドーピングすることができる。それを、ＮＯｘ化学吸着（chemisorption）といい、このような工程は、例えば、約１５０℃ほどの温度で行うことができる。化学的ドーピング工程を利用する場合、ｐ型ドーパント物質及びｎ型ドーパント物質（ソース）は、グラフェン層のドーピングのためのｐ型ドーパント及びｎ型ドーパント物質（ソース）と同一であるか、あるいは類似している。また、場合によっては、イオン注入（ion implantation）工程を利用して、ドーピング領域ｄ１０，ｄ１１，ｄ２０，ｄ２２を形成することもできる。
【００８７】
図１３は、本発明の他の実施形態による、光電子素子の半導体活性層に適用される量子ドット層ＱＤＬ１の一例を例示的に示す断面図である。
【００８８】
図１３を参照すれば、量子ドット層ＱＤＬ１は、複数の量子ドットＱＤを含んでもよい。複数の量子ドットＱＤが、単層構造または多層構造をなすことができる。それぞれの量子ドットＱＤは、コア部ｃ１及びシェル部ｓ１を有することができ、シェル部ｓ１は、単一シェル（single shell）構造または二重シェル（double shell）構造を有することができる。コア部ｃ１は、ＣｄＳｅ、ＩｎＰ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＣｄＴｅなどから構成され、シェル部ｓ１は、ＣｄＳ、ＺｎＳなどから構成される。このような量子ドットＱＤは、約１０ｎｍ以下の直径を有することができる。量子ドットＱＤの表面には、有機リガンドａ１が存在することができる。有機リガンドａ１は、例えば、オレイン酸、トリオクチルホスフィン、トリオクチルアミン、トリオクチルホスフィンオキシドなどでもある。場合によっては、有機リガンドａ１は、除去される。量子ドットＱＤは、コロイダル量子ドット（colloidal quantum dot）でもある。図１３に図示された量子ドット層ＱＤＬ１の構成は、例示的なものに過ぎず、具体的な物質及び構成は、多様に変化される。
【００８９】
図１ないし図３などを参照して説明した光電子素子の構造は、多様に変形される。以下では、多様な変形構造について、図１４ないし図１８を参照し、さらに具体的に説明する。
【００９０】
図１４は、本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【００９１】
図１４を参照すれば、本実施形態による光電子素子は、図３と類似した構造を有するが、基板ＳＵＢ１２と第２電極Ｅ２２との間に具備された絶縁層Ｎ１２をさらに含む。絶縁層Ｎ１２は、半導体活性層Ｓ１２と同一であるか、あるいはそれと類似した高さに形成される。第２電極Ｅ２２は、半導体活性層Ｓ１２と絶縁層Ｎ１２との上に具備される。従って、第２電極Ｅ２２は、平坦であるか、あるいはほぼ平坦な構造を有することができる。絶縁層Ｎ１２は、第２電極Ｅ２２のための一種の「支柱」の役割を行う。第１電極Ｅ１２上に具備される第１コンタクト電極ＣＥ１２、及び第２電極Ｅ２２上に具備される第２コンタクト電極ＣＥ２２は、互いに異なる高さに位置することができる。第１コンタクト電極ＣＥ１２及び第２コンタクト電極ＣＥ２２は、水平方向に相互離隔され、垂直方向には、相互オーバーラップ（overlap）されるものではない。
【００９２】
図１５は、本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【００９３】
図１５を参照すれば、基板ＳＵＢ１３上に、第１電極Ｅ１３が具備され、第１電極Ｅ１３を覆う絶縁層Ｎ１３が具備される。絶縁層Ｎ１３内に、第１電極Ｅ１３と接触した半導体活性層Ｓ１３が具備される。絶縁層Ｎ１３に、第１電極Ｅ１３の一部を露出させる開口部が具備され、開口部内に、半導体活性層Ｓ１３が具備される。半導体活性層Ｓ１３の上面と、絶縁層Ｎ１３の上面は、同一であるか、あるいは類似した高さを有することができる。絶縁層Ｎ１３上に、半導体活性層Ｓ１３に接触した第２電極Ｅ２３が具備される。また、絶縁層Ｎ１３上に、第１電極Ｅ１３に電気的に連結された（接触した）第１コンタクト電極ＣＥ１３が具備され、第２電極Ｅ２３に接触した第２コンタクト電極ＣＥ２３が具備される。
【００９４】
図１６は、本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【００９５】
図１６を参照すれば、本実施形態の基板ＳＵＢ１４、第１電極Ｅ１４、半導体活性層Ｓ１４、第１絶縁層Ｎ１４、第２電極Ｅ２４は、それぞれ図１５の基板ＳＵＢ１３、第１電極Ｅ１３、半導体活性層Ｓ１３、絶縁層Ｎ１３、第２電極Ｅ２３に対応する。本実施形態においては、第１絶縁層Ｎ１４上に、第２電極Ｅ２４を覆う第２絶縁層Ｎ２４がさらに具備される。そして、第２絶縁層Ｎ２４上に、第１電極Ｅ１４と電気的に連結された（接触した）第１コンタクト電極ＣＥ１４が具備され、第２電極Ｅ２４と電気的に連結された（接触した）第２コンタクト電極ＣＥ２４が具備される。その場合、第１コンタクト電極ＣＥ１４と第２コンタクト電極ＣＥ２４は、同一の高さあるいはほぼ類似の高さに位置することができる。
【００９６】
図１７は、本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【００９７】
図１７を参照すれば、基板ＳＵＢ１５上に、第１電極Ｅ１５、半導体活性層Ｓ１５及び第２電極Ｅ２５が具備される。第１電極Ｅ１５、半導体活性層Ｓ１５及び第２電極Ｅ２５は、図３の対応する要素（すなわち、Ｅ１０、Ｓ１０、Ｅ２０）と同一であるか、あるいは類似している。本実施形態においては、基板ＳＵＢ１５上に、第１電極Ｅ１５、半導体活性層Ｓ１５及び第２電極Ｅ２５を覆う絶縁層Ｎ１５が具備される。絶縁層Ｎ１５は、第１電極Ｅ１５、第２電極Ｅ２５及び半導体活性層Ｓ１５を保護する「保護層」の役割を行う。絶縁層Ｎ１５上に、第１電極Ｅ１５と電気的に連結された（接触した）第１コンタクト電極ＣＥ１５が具備され、第２電極Ｅ２５と電気的に連結された（接触した）第２コンタクト電極ＣＥ２５が具備される。
【００９８】
図１８は、本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【００９９】
図１８を参照すれば、本実施形態による光電子素子は、図３のような構造上に具備された保護層（passivation layer）Ｐ１６をさらに含む。基板ＳＵＢ１６、第１電極Ｅ１６、半導体活性層Ｓ１６、第２電極Ｅ２６、第１コンタクト電極ＣＥ１６及び第２コンタクト電極ＣＥ２６は、それぞれ図３の基板ＳＵＢ１０、第１電極Ｅ１０、半導体活性層Ｓ１０、第２電極Ｅ２０、第１コンタクト電極ＣＥ１０及び第２コンタクト電極ＣＥ２０に対応する。そして、基板ＳＵＢ１６上に、その要素（ＳＵＢ１６、Ｅ１６、Ｓ１６、Ｅ２６、ＣＥ１６、ＣＥ２６）を覆う保護層Ｐ１６が具備される。保護層Ｐ１６は、特に、第１電極Ｅ１６及び第２電極Ｅ２６のうち少なくとも一つに適用されたドーピングされたグラフェン層を保護し、変性（劣化）を防止する役割を行う。保護層Ｐ１６は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＮｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯｘ、ＺｒＯｘのような誘電体（絶縁体）から形成されるか、あるいはｈ−ＢＮ（六方晶窒化ホウ素、hexagonal boron nitride）のような二次元絶縁体から形成される。このような保護層Ｐ１６は、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＰＶＤ（physical vapor deposition）、ＡＬＤ（atomic layer deposition）など多様な方法によって形成される。図１８の保護層Ｐ１６は、図１４ないし図１７の光電子素子にも適用される。
【０１００】
図１ないし図３、及び図１４ないし図１８の実施形態においては、第１コンタクト電極ＣＥ１０，ＣＥ１２〜ＣＥ１６と、第２コンタクト電極ＣＥ２０，ＣＥ２２〜ＣＥ２６とが水平方向に相互離隔され、相互オーバーラップされない場合を図示して説明したが、他の実施形態によれば、第１コンタクト電極と第２コンタクト電極とが垂直方向に相互離隔されてオーバーラップされている構造を有することができる。その一例が、図１９に図示されている。
【０１０１】
図１９は、本発明の他の実施形態による光電子素子を示す断面図である。
【０１０２】
図１９を参照すれば、基板ＳＵＢ１７上に、第１コンタクト電極ＣＥ１７が具備され、第１コンタクト電極ＣＥ１７と垂直方向に離隔された第２コンタクト電極ＣＥ２７が具備される。第１コンタクト電極ＣＥ１７と第２コンタクト電極ＣＥ２７との間に、半導体活性層Ｓ１７が具備される。第１コンタクト電極ＣＥ１７と半導体活性層Ｓ１７との間に、第１電極Ｅ１７が配置され、第２コンタクト電極ＣＥ２７と半導体活性層Ｓ１７との間に、第２電極Ｅ２７が配置される。基板ＳＵＢ１７、第１電極Ｅ１７、第２電極Ｅ２７、半導体活性層Ｓ１７、第１コンタクト電極ＣＥ１７及び第２コンタクト電極ＣＥ２７それぞれの物質及び特性などは、図１ないし図３を参照して説明した基板ＳＵＢ１０、第１電極Ｅ１０、第２電極Ｅ２０、半導体活性層Ｓ１０、第１コンタクト電極ＣＥ１０及び第２コンタクト電極ＣＥ２０と同一であるか、あるいは類似している。第１コンタクト電極ＣＥ１７の上面一部は、第１電極Ｅ１７、半導体活性層Ｓ１７及び第２電極Ｅ２７によってカバーされずに露出される。第１電極Ｅ１７、半導体活性層Ｓ１７及び第２電極Ｅ２７は、同一幅、または類似した幅を有するように、共にパターニングされる。第２コンタクト電極ＣＥ２７は、第２電極Ｅ２７より小サイズ（幅）に形成されるか、あるいは同一サイズ（幅）に形成される。図１９の構造は、例示的なものであり、それは、多様に変化される。例えば、第１コンタクト電極ＣＥ１７、第１電極Ｅ１７、半導体活性層Ｓ１７、第２電極Ｅ２７及び第２コンタクト電極ＣＥ２７は、同一であるか、あるいは類似したサイズ（幅）を有することができ、場合によっては、基板ＳＵＢ１７は、具備されないこともある。それ以外にも、多様な変形構造ができる。
【０１０３】
本発明の他の実施形態によれば、図１ないし図４及び、図７ないし図１９を参照して説明した光電子素子は、半導体活性層Ｓ１０，Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄ，Ｓ１２〜Ｓ１７に電界を印加するための第３電極、すなわち、ゲート電極をさらに含んでもよい。ゲート電極を利用して、半導体活性層Ｓ１０，Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄ，Ｓ１２〜Ｓ１７に所定電界を印加することにより、半導体活性層Ｓ１０，Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄ，Ｓ１２〜Ｓ１７の特性を調節することができ、結果的に、光電子素子の特性を制御することができる。
【０１０４】
図１の実施形態においては、光電子素子の単位セル（unit cell）が、全体的に一字型構造を有する場合を図示したが、他の実施形態による光電子素子の単位セルは、上から見たとき、屈曲した（折れた）構造または十字型構造のような多様な構造を有することができる。その一例が、図２０に図示されている。
【０１０５】
図２０は、本発明の他の実施形態による光電子素子の平面構造を示す平面図である。図２０の構造は、図１の構造において変形されたものである。
【０１０６】
図２０を参照すれば、第１電極Ｅ１８は、半導体活性層Ｓ１８に対して、第１方向（例えば、Ｙ軸の逆方向）に延長され、第２電極Ｅ２８は、半導体活性層Ｓ１８に対して、第１方向と垂直の第２方向（例えば、Ｘ軸方向）に延長される。第１電極Ｅ１８の端部に、第１コンタクト電極ＣＥ１８が具備され、第２電極Ｅ２８の端部に、第２コンタクト電極ＣＥ２８が具備される。従って、本実施形態の光電子素子は、上から見たとき、屈曲した（折れた）構造を有することができる。本実施形態においては、第１電極Ｅ１８と第２電極Ｅ２８とが９０゜の角度をなす場合について図示して説明したが、２つの電極Ｅ１８，Ｅ２８は、９０゜ではない任意の角度（鋭角または鈍角）をなすように配置されもする。
【０１０７】
図２１は、本発明の他の実施形態による光電子素子の平面構造を示す平面図である。図２１の構造は、図２０の構造において変形されたものである。
【０１０８】
図２１を参照すれば、本実施形態の光電子素子は、十字型構造を有することができる。言い換えれば、本実施形態による光電子素子は、交差点（cross-point）構造を有することができる。さらに具体的に説明すれば、第１電極Ｅ１９と第２電極Ｅ２９とが互いに交差するように、例えば、垂直交差するように配置され、該第１電極Ｅ１９と該第２電極Ｅ２９との交差点に、半導体活性層Ｓ１９が具備される。第１電極Ｅ１９の端部に、第１コンタクト電極ＣＥ１９が具備され、第２電極Ｅ２９の端部に、第２コンタクト電極ＣＥ２９が具備される。
【０１０９】
図１、図２０または図２１のような光電子素子構造は、１つの単位セルを構成するといえ、このような単位セルが複数個配列される。また、複数の単位セルは、少なくとも１つの「共通電極」でもって互いに連結される。共通電極を使用した一例が、図２２に図示されている。
【０１１０】
図２２は、本発明の他の実施形態による光電子素子を示す平面図である。
【０１１１】
図２２を参照すれば、複数の単位セルＵＣ１が配列される。例えば、複数の単位セルＵＣ１が、所定方向（例えば、Ｘ軸方向）に相互離隔して規則的に配列される。それぞれの単位セルＵＣ１は、第１電極Ｅ１０、第２電極Ｅ２０、及びそれら間に具備された半導体活性層Ｓ１０を含む。それぞれの単位セルＵＣ１の構造は、図１のそれと同一であるか、あるいは類似している。複数の単位セルＵＣ１の第１端部にそれぞれ連結された複数の第１コンタクト電極ＣＥ１０が具備される。複数の単位セルＵＣ１の第２端部に共通して連結された第２コンタクト電極ＣＥ２００が具備される。第２コンタクト電極ＣＥ２００は、複数の単位セルＵＣ１によって共有された「共通電極」ということができる。
【０１１２】
図２２の構造において、それぞれの単位セルＵＣ１が、１つの光検出器として使用される場合、整列された複数の半導体活性層Ｓ１０は、互いに異なる波長の光を吸収して検出する役割を行う。その場合、それぞれの半導体活性層Ｓ１０は、一種のピクセルであるといえる。従って、図２２の構造は、マルチピクセルが共通電極（すなわち、ＣＥ２００）でまとめられている構造であるといえる。図２２のような構造を利用すれば、互いに異なる波長の光を区分して検出することができ、検出された情報は、それに対応するイメージを具現するのに使用されもする。図２２のようなアレイ構造は、例示的なものであり、それは、多様に変化される。例えば、図２０または図２１のような構造を単位構造にし、多様なアレイ構造を具現することができ、共通電極を使用せずに、個別的な電極を使用することもできる。
【０１１３】
図２３は、本発明の実施形態によって製造された光電子素子の光学顕微鏡写真である。図２３の光電子素子は、下部グラフェン層ＧＢ／ＷＳｅ２層／上部グラフェン層ＧＴの積層構造を有し、図２１の素子と類似した平面構造を有する。そのとき、下部グラフェン層ＧＢは、ｐ型ドーパントでドーピングされた層であり、ＷＳｅ２層は、二次元半導体層である。
【０１１４】
図２４は、図２３の光電子素子のゲート電圧Ｖｇ−ドレイン電流Ｉｄ特性を評価した結果を示すグラフである。このような評価のために、図２３の光電子素子の下部グラフェン層ＧＢ下にゲート電極を配置し、下部グラフェン層ＧＢをドレイン電極として使用し、上部グラフェン層ＧＴをソース電極として使用した。
【０１１５】
図２４を参照すれば、グラフにおいて、ドレイン電流Ｉｄが最小となる地点が、０Ｖより大きい方、すなわち、正（＋）の電圧側に位置するということが分かる。このような結果は、下部グラフェン層ＧＢがｐ−ドーピングされているということを意味する。
【０１１６】
図２５は、図２３の光電子素子のドレイン電圧Ｖｄ−ドレイン電流Ｉｄ特性を評価した結果を示すグラフである。このような評価のために、下部グラフェン層ＧＢをドレイン電極として使用し、上部グラフェン層ＧＴをソース電極として使用した。ゲート電圧Ｖｇは、０Ｖである。
【０１１７】
図２５を参照すれば、ドレイン電圧ＶｄがおよそＯＶである地点を基準に、ＩＶ（current-voltage）カーブが左右非対称であるということを確認することができる。例えば、ドレイン電圧Ｖｄが−１Ｖである場合、ドレイン電流Ｉｄは、約１０−１０Ａほどであり、ドレイン電圧Ｖｄが＋１Ｖである場合、ドレイン電流Ｉｄは、約１０−７Ａほどである。ドレイン電圧Ｖｄが−１Ｖである場合と、＋１Ｖである場合とのドレイン電流Ｉｄの差は、約１０３Ａより大きいということが分かった。このような左右非対称性は、下部グラフェン層ＧＢと上部グラフェン層ＧＴとの間の半導体層（すなわち、ＷＳｅ２層）に内部電位が形成されているということを意味する。
【０１１８】
図２６は、本発明の実施形態による光電子素子に対する光伝導特性を評価した結果を示す図面である。図２６の左側図面は、光電子素子に対する評価方法を概略的に示し、右側図面は、評価結果を示す。図２６の光電子素子（左側の図面）は、図２３の光電子素子と同一である。このような光電子素子の第１電極及び第２電極（すなわち、下部電極ＧＢ及び上部電極ＧＴ）に電圧を印加していない状態、すなわち、ゼロバイアス（zero bias）状態において、所定の光源を利用して、半導体層（すなわち、ＷＳｅ２層）の活性領域Ｒ１に光を照射しながら、電流発生量を測定した。フォトカレントマッピング（photocurrent mapping）を介して、図２６の右側図面のようなイメージを得ることができる。光源から生じる光の波長λは、６４１ｎｍであり、光源のパワーは、３．１μＷ／μｍ２であった。図２６の左側図面において、参照符号Ａは、電流計を示す。
【０１１９】
図２６の右側図面を参照すれば、半導体層（すなわち、ＷＳｅ２層）の活性領域Ｒ１に対応する領域において、比較的多くの電流が発生するということを確認することができる。このような結果から、光反応度（photo-responsivity）を計算すれば（すなわち、２３３ｎＡ／３．１μＷ）、光反応度は、約７５ｍＡ／Ｗであった。図２６の評価結果から、本発明の実施形態による光電子素子は、外部電圧を印加していないゼロバイアス状態でも、光伝導特性を示すということを確認することができる。
【０１２０】
本発明の実施形態と係わる思想（idea）は、光電子素子だけではなく、トランジスタのような他の半導体素子にも適用される。トランジスタは、３つの電極（ソース電極、ドレイン電極、ゲート電極）を使用することができるので、３−ターミナル（terminal）素子といえる。従って、本発明の実施形態によるトランジスタは、図３、図１４ないし図１９のうちいずれか１つの構造に、「第３電極」（すなわち、ゲート電極）を追加した構造を有することができる。
【０１２１】
図２７は、本発明の例示的な一実施形態によるトランジスタを示す断面図である。
【０１２２】
図２７を参照すれば、図３の構造と類似して、第１電極Ｅ５０、第２電極Ｅ６０、半導体層Ｓ５０、第１コンタクト電極ＣＥ５０及び第２コンタクト電極ＣＥ６０が設けられる。第１電極Ｅ５０、第２電極Ｅ６０、半導体層Ｓ５０、第１コンタクト電極ＣＥ５０及び第２コンタクト電極ＣＥ６０は、それぞれ図３の第１電極Ｅ１０、第２電極Ｅ２０、半導体活性層Ｓ１０、第１コンタクト電極ＣＥ１０及び第２コンタクト電極ＣＥ２０と同一であるか、あるいは類似している。図３の実施形態において、半導体活性層Ｓ１０は、「光活性層」として使用されもするが、本実施例（図２７）において半導体層Ｓ５０は、「チャネル層」として使用されもする。本実施形態によるトランジスタは、半導体層Ｓ５０に電界（electric field）を印加するためのゲート電極Ｇ５０をさらに含む。ゲート電極Ｇ５０は、グラフェンのような二次元導電体から形成されるか、あるいは二次元導電体ではない一般的な導電体から形成される。ゲート電極Ｇ５０は、透明であってもよく、透明でなくともよい。ゲート電極Ｇ５０と半導体層Ｓ５０との間には、ゲート絶縁層ＧＩ５０がさらに具備される。ゲート絶縁層ＧＩ５０は、ｈ−ＢＮのような二次元絶縁体によって形成されるか、あるいは二次元絶縁体ではない一般的な絶縁体によっても形成される。ゲート電極Ｇ５０上に、ゲート絶縁層ＧＩ５０が具備され、ゲート絶縁層ＧＩ５０上に、第１電極Ｅ５０、第２電極Ｅ６０、半導体層Ｓ５０、第１コンタクト電極ＣＥ５０及び第２コンタクト電極ＣＥ６０が具備される。第１電極Ｅ５０及び第２電極Ｅ６０のうち一つは、「ソース電極」でもあり、他の一つは、「ドレイン電極」でもある。それと対応するように、第１コンタクト電極ＣＥ５０及び第２コンタクト電極ＣＥ６０のうち一つは、「ソースコンタクト電極」でもあり、他の一つは、「ドレインコンタクト電極」でもある。例えば、第１電極Ｅ５０及び第１コンタクト電極ＣＥ５０がそれぞれ「ドレイン電極」及び「ドレインコンタクト電極」でもあり、第２電極Ｅ６０及び第２コンタクト電極ＣＥ６０がそれぞれ「ソース電極」及び「ソースコンタクト電極」でもある。ここで、ソース電極とドレイン電極との役割は、入れ替わりもする。
【０１２３】
図２７の構造において、第１電極Ｅ５０及び第２電極Ｅ６０のうち少なくとも一つは、ドーピングされたグラフェン層を含む。例えば、第１電極Ｅ５０及び第２電極Ｅ６０のうち一つは、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェン層を含み、他の一つは、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェン層を含む。または、第１電極Ｅ５０及び第２電極Ｅ６０のうち一つは、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たグラフェン層を含み、他の一つは、金属性物質層を含む。その場合、ドーピングされたグラフェン層と、金属性物質層との仕事関数差は、例えば、０．１〜５ｅＶほど、あるいは０．３〜３ｅＶほどでもある。
【０１２４】
半導体層Ｓ５０は、二次元半導体及び／または量子ドットを含む。二次元半導体及び量子ドットに係わる具体的な内容は、前述のところと同一であるので、それらに係わる反復説明は排除する。場合によっては、半導体層Ｓ５０は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅのようなIV族系列の半導体、III−Ｖ族半導体、酸化物半導体、窒化物半導体、窒酸化物半導体など多様な半導体物質のうち少なくとも一つを含む。半導体層Ｓ５０は、約０．１ｅＶ以上または約０．３ｅＶ以上の内部電位を有することができる。内部電位は、約０．１〜５ｅＶ、例えば、０．３〜３ｅＶほどでもある。また、半導体層Ｓ５０は、約０．３ＭＶ／ｃｍ以上または約１ＭＶ／ｃｍ以上の内部電界を有することができる。内部電界は、約０．３〜１００ＭＶ／ｃｍ、例えば、１〜７０ＭＶ／ｃｍほどでもある。
【０１２５】
半導体層Ｓ５０は、トンネリング層として使用されもする。すなわち、半導体層Ｓ５０を介した電荷（電子／正孔）のトンネリングによって、第１電極Ｅ５０と第２電極Ｅ６０との間に電流が流れる。その場合、本実施形態によるトランジスタは、トンネリングトランジスタ（tunneling transistor）であるといえる。ゲート電極Ｇ５０に印加された電圧によって、半導体層Ｓ５０の活性化いかん、すなわち、オン／オフ（ON／OFF）いかんが決定される。本実施形態においては、半導体層Ｓ５０が前述の内部電位及び／または内部電界を有するために、半導体層Ｓ５０を介した電荷のトンネリングがさらに容易に行われる。すなわち、内部電位及び／または内部電界によって、トンネリング効率が上昇する。従って、本発明の実施形態によれば、優秀な性能を有するトンネリングトランジスタを具現することができる。
【０１２６】
さらに、半導体層Ｓ５０は、第１電極Ｅ５０に隣接した第１領域、及び第２電極Ｅ６０に隣接した第２領域を含み、第１領域及び第２領域のうち少なくとも一つは、ドーピングされた領域でもある。言い換えれば、半導体層Ｓ５０は、図９ないし図１２を参照して説明した半導体活性層Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄの構成と同一であるか、あるいはそれと類似した構成を有することができる。従って、半導体層Ｓ５０の第１領域は、第１電極Ｅ５０のドーパントと同一タイプのドーパントでドーピングされ、かつ／または半導体層Ｓ５０の第２領域は、第２電極Ｅ６０のドーパントと同一タイプのドーパントでドーピングされる。半導体層Ｓ５０の第１領域及び第２領域のうち少なくとも一つが、前述のようにドーピングされることにより、半導体層Ｓ５０のトンネリング特性などがさらに改善され、結果として、トランジスタの性能が向上する。
【０１２７】
図２８は、図２７を参照して説明したトランジスタの平衡状態でのエネルギーバンドダイヤグラムである。
【０１２８】
図２８を参照すれば、第１電極Ｅ５０は、ｐ型ドーパントでドーピングされたグラフェン層（すなわち、ｐ−ドーピングされたグラフェン層）でもあり、第２電極Ｅ６０は、ｎ型ドーパントでドーピングされたグラフェン層（すなわち、ｎ−ドーピングされたグラフェン層）でもある。半導体層Ｓ５０のエネルギーバンドは、図示されているように、傾いた構造を有することができる。半導体層Ｓ５０は、約０．１ｅＶ以上または約０．３ｅＶ以上の内部電位を有することができる。また、半導体層Ｓ５０は、約０．３ＭＶ／ｃｍ以上または約１ＭＶ／ｃｍ以上の内部電界を有することができる。半導体層Ｓ５０が内部電位及び／または内部電界を有することと係わり、半導体層Ｓ５０のトンネリング特性が改善され、トランジスタの性能が向上する。
【０１２９】
以下では、本発明の実施形態による半導体素子（例えば、光電子素子、トランジスタ）の製造方法について説明する。
【０１３０】
図２９Ａないし図２９Ｆは、本発明の例示的な一実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。
【０１３１】
図２９Ａを参照すれば、基板１００上に、絶縁層１１０を形成することができる。基板１００は、例えば、シリコン基板のような半導体基板でもあるが、それ以外に、他の基板でもある。基板１００の物質は、絶縁体であるか導電体でもある。また、基板１００は、フレキシブル基板であるか、あるいは堅い（rigid）基板でもあり、透明な基板でもあり、不透明あるいは半透明の基板でもある。絶縁層１１０は、例えば、シリコン酸化物層でもある。基板１００としてシリコン基板を使用する場合、その表面部を酸化させることにより、シリコン酸化物層を形成することができ、それを絶縁層１１０として使用することができる。絶縁層１１０の物質は、異なってもよく、場合によっては、絶縁層１１０は、形成しなくともよい。
【０１３２】
次に、絶縁層１１０上に、第１電極１２０を形成することができる。第１電極１２０は、例えば、グラフェン層から形成することができる。その場合、第１電極１２０は、第１グラフェン層であるといえる。第１グラフェン層は、一般的な転移工程（transfer process）で形成することができる。または、第１グラフェン層は、基板１００上に、直接成長させることもできる。
【０１３３】
図２９Ｂを参照すれば、第１電極１２０を第１タイプのドーパントでドーピングすることができる。その結果、ドーピングされた第１電極１２０ａを得ることができる。例えば、ｐ型ドーパントで第１電極１２０をドーピングし、ドーピングされた第１電極１２０ａを得ることができる。ドーピングされた第１電極１２０ａは、ｐ−ドーピングされたグラフェン層でもある。
【０１３４】
第１電極１２０をドーピングする方法、すなわち、ドーピングされた第１電極１２０ａを形成する方法について、さらに具体的に説明すれば、次の通りである。第１電極１２０がグラフェン層である場合、プラズマドーピング工程や化学的ドーピング工程を利用して、第１電極１２０をドーピングすることができる。化学的ドーピング工程を利用する場合、第１電極１２０をｐ−ドーピングするために、例えば、ＡｕＣｌ３、ＦｅＣｌ３、Ａｎ−Ｂｒ、ＴＰＡなどをｐ型ドーパントのソースとして使用することができる。ここで、Ａｎ−Ｂｒは、９，１０−ジブロモ−アントラセンであり、ＴＰＡは、テトラナトリウム１，３，６，８−ピレンテトラスルホン酸である。また、ｐ型ドーパントのソースとして、ジアゾニウム塩を使用することもできるが、ジアゾニウム塩は、例えば、４−ブロモベンゼンジアゾニウムテトラフルオロボラート（４−ＢＢＤＴ）を含む。ＡｕＣｌ３において、Ａｕがｐ型ドーパントとして作用することができ、ジアゾニウム塩において、臭素基がｐ型ドーパントとして作用することができる。また、ｐ型ドーパントのソースとしては、ＮＯ２ＢＦ４、ＮＯＢＦ４、ＮＯ２ＳｂＦ６のようなイオン性液体；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、ＨＰｔＣｌ４、ＨＡｕＣｌ４、トリフルオロメタンスルホン酸銀（ＡｇＯＴｆ）、ＡｇＮＯ３、Ｈ２ＰｄＣｌ６、Ｐｄ（ＯＡｃ）２、Ｃｕ（ＣＮ）２のような物質を使用することができる。しかし、ここで開示したｐ型ドーパント物質（ソース）は、例示的なものであり、それら以外に多様な物質が使用されもする。
【０１３５】
図２９Ｃを参照すれば、ドーピングされた第１電極１２０ａ上に、半導体層１３０を形成することができる。半導体層１３０は、二次元形状の結晶構造を有する二次元半導体から形成するか、あるいは量子ドットから形成することができる。または、半導体層１３０は、二次元半導体及び量子ドットをいずれも含むように形成することもできる。また、場合によっては、半導体層１３０は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅのようなIV族系列の半導体、III−Ｖ族半導体、酸化物半導体、窒化物半導体、窒酸化物半導体など多様な半導体物質のうち少なくとも一つを含むように形成することもできる。半導体層１３０は、ドーピングされた第１電極１２０ａの所定領域、例えば、一端部上に形成することができ、残りの部分は、半導体層１３０によってカバーされずに露出される。
【０１３６】
図２９Ｄを参照すれば、半導体層１３０上に、第２電極１４０を形成することができる。第２電極１４０は、例えば、グラフェン層から形成することができる。その場合、第２電極１４０は、第２グラフェン層ともいえる。第２電極１４０は、半導体層１３０の上面を覆いながら、半導体層１３０の一側に延長された構造を有することができる。従って、第２電極１４０は、半導体層１３０一側の絶縁層１１０上に延長される。
【０１３７】
図２９Ｅを参照すれば、第２電極１４０に対するドーピング工程を遂行することができる。例えば、第２電極１４０を第２タイプのドーパントでドーピングし、ドーピングされた第２電極１４０ａを得ることができる。第２タイプのドーパントは、例えば、ｎ型ドーパントでもある。その場合、ドーピングされた第２電極１４０ａは、ｎ−ドーピングされたグラフェン層でもある。
【０１３８】
第２電極１４０をドーピングする方法、すなわち、ドーピングされた第２電極１４０ａを形成する方法について、さらに具体的に説明すれば、次の通りである。第２電極１４０がグラフェン層である場合、プラズマドーピング工程や化学的ドーピング工程を利用して、第２電極１４０をドーピングすることができる。プラズマを利用する場合、例えば、窒素プラズマを利用して、グラフェン層（すなわち、第２電極１４０）の炭素（Ｃ）の一部を窒素（Ｎ）で置換することにより、ｎ−ドーピングされたグラフェン層（すなわち、ドーピングされた第２電極１４０ａ）を得ることができる。化学的ドーピング工程を利用する場合、第２電極１４０をｎ−ドーピングするために、例えば、電子供与基を有する芳香族分子またはフッ化アンモニウムなどをｎ型ドーパントのソースとして使用することができる。ここで、電子供与基を有する芳香族分子は、例えば、９，１０−ジメチルアントラセン（Ａｎ−ＣＨ３）、１，５−ナフタレンジアミン（Ｎａ−ＮＨ２）などでもある。また、ｎ型ドーパントのソースとしては、ニコチンアミドを含む化合物；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された化合物の還元物；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、ＮＭＮ（ニコチンアミドモノヌクレオチド、nicotinamide mononucleotide）、ＮＡＤ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド、nicotinamide adenine dinucleotide）、ＮＡＤＰ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸、nicotinamide adenine dinucleotide phosphate）、ＮＭＮＨ（ニコチンアミドモノヌクレオチド−Ｈ、nicotinamide mononucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＨ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド−Ｈ、nicotinamide adenine dinucleotide−Ｈ）、ＮＡＤＰＨ（ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸−Ｈ、nicotinamide adenine dinucleotide phosphate−Ｈ）を含むか、ビオロゲンを含む。ビオロゲンは、例えば、１，１’ジベンジル−４，４’−ビピリジニウムジクロリド、メチルビオロゲンジクロリド水和物、エチルビオロゲンジパーコレート、１，１’ジオクタデシル−４，４’−ビピリジニウムジブロミド、ジオクチルビス（４−ピリジル）ジフェニルビオロゲンなどから構成されたグループのうちから選択的に少なくともいずれか一つを含む。ビオロゲンは、２つのピリジン構造間に共役（conjugation）が可能な分子構造をさらに含む。その場合、分子構造は、アリール、アルケニル、アルキニルなどを含む。または、ｎ型ドーパントのソースは、ポリエチレンアミン（ＰＥＩ）などのポリマーを含む。ビオロゲンの窒素原子がｎ型ドーパントとして作用することができ、ポリエチレンアミン（ＰＥＩ）において、アミン基がｎ型ドーパントとして作用することができる。または、ｎ型ドーパントは、Ｋ、Ｌｉなどのアルカリ金属を含む。しかし、ここで開示した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もする。
【０１３９】
図２９Ｅの段階で、半導体層１３０によってカバーされずに露出された第１電極１２０ａ領域が、ｎ型ドーパントのドーピング工程で露出される。従って、半導体層１３０外側の第１電極１２０ａ領域が、ｎ型ドーパントでドーピングされる。しかし、その領域は、半導体層１３０に影響を与えないか、あるいはほとんど影響を与えない領域でもある。半導体層１３０の真下に存在する第１電極１２０ａ領域が半導体層１３０に直接的な影響を与える領域でもあり、その領域は、図２９Ｅの段階において、ｎ型ドーパントに露出されない。従って、半導体層１３０の真下に存在する第１電極１２０ａ領域の第１ドーパント（例えば、ｐ型ドーパント）濃度と、半導体層１３０によってカバーされていない第１電極１２０ａ領域の第１ドーパント（例えば、ｐ型ドーパント）濃度は、互いに異なる。しかし、図２９Ｄ及び図２９Ｅの段階において、第１電極１２０ａを覆うマスク（図示せず）を形成した後、第２電極１４０に対するドーピング工程を進めれば、第１電極１２０ａ全体が、第２電極１４０に対するドーピング工程に影響を受けない。その場合、第１電極１２０ａの全体領域において、第１ドーパント（例えば、ｐ型ドーパント）の濃度は、均一であるか、あるいは実質的に均一である。
【０１４０】
図２９Ｆを参照すれば、ドーピングされた第１電極１２０ａ上に、第１コンタクト電極１５０を形成することができ、ドーピングされた第２電極１４０ａ上に、第２コンタクト電極１６０を形成することができる。第１コンタクト電極１５０と第２コンタクト電極１６０は、同一物質で形成するか、互いに異なる物質で形成することもできる。第１電極１２０ａ、半導体層１３０、第２電極１４０ａ、第１コンタクト電極１５０及び第２コンタクト電極１６０は、それぞれ図３の第１電極Ｅ１０、半導体層Ｓ１０、第２電極Ｅ２０、第１コンタクト電極ＣＥ１０及び第２コンタクト電極ＣＥ２０に対応する。または、第１電極１２０ａ、半導体層１３０、第２電極１４０ａ、第１コンタクト電極１５０及び第２コンタクト電極１６０は、それぞれ図２７の第１電極Ｅ５０、半導体層Ｓ５０、第２電極Ｅ６０、第１コンタクト電極ＣＥ５０及び第２コンタクト電極ＣＥ６０に対応し、その場合、基板１００及び絶縁層１１０は、それぞれ図２７のゲート電極Ｇ５０及びゲート絶縁層ＧＩ５０に対応する。
【０１４１】
図２９Ａないし図２９Ｆの実施形態においては、第１電極１２０ａがｐ−ドーピングされたグラフェン層であり、第２電極１４０ａがｎ−ドーピングされたグラフェン層である場合について主に説明したが、第１電極１２０ａがｎ−ドーピングされたグラフェン層であり、第２電極１４０ａがｐ−ドーピングされたグラフェン層でもある。他の実施形態によれば、第１電極１２０ａ及び第２電極１４０ａのうち一つは、ｐ−ドーピングされたグラフェン層またはｎ−ドーピングされたグラフェン層によって形成することができ、他の一つは、金属性物質層で形成することができる。その場合、ドーピングされたグラフェン層と金属性物質層との仕事関数差は、約０．１〜５ｅＶほどでもある。また、場合によっては、第１電極１２０ａ及び第２電極１４０ａのうち一つは、ｐ−ドーピングされたグラフェン層またはｎ−ドーピングされたグラフェン層によって形成することができ、他の一つは、ドーピングされていないグラフェン層によって形成することもできる。
【０１４２】
本発明の他の実施形態によれば、半導体層１３０の少なくとも一部をドーピングすることができる。半導体層１３０の少なくとも一部をドーピングし、図９ないし図１２を参照して説明したような半導体層Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄ構造を形成することができる。以下では、図３０Ａないし図３０Ｅ、及び図３１Ａないし図３１Ｄを参照し、図９ないし図１２のような半導体層Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄ構造を形成する方法について説明する。
【０１４３】
図３０Ａないし図３０Ｅは、本発明の実施形態によるものであり、半導体素子（例えば、光電子素子、トランジスタ）に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【０１４４】
図３０Ａを参照すれば、第１基板１０１上に、半導体層１３１を形成することができる。
【０１４５】
図３０Ｂを参照すれば、半導体層１３１の上面部一部を、第１タイプのドーパントでドーピングし、第１ドーピング領域ｄ１を形成することができる。参照番号１３１ａは、第１ドーピング領域ｄ１を含む半導体層を示す。第１タイプのドーパントは、例えば、ｐ型ドーパントでもある。その場合、第１ドーピング領域ｄ１は、ｐ型ドーピング領域でもある。
【０１４６】
図３０Ｃ及び図３０Ｄを参照すれば、第１基板１０１に具備された半導体層１３１ａを、第２基板１０２で転移（transfer）することができる。そのとき、第１ドーピング領域ｄ１が、第２基板１０２の上面に付着される。すなわち、半導体層１３１ａが上下に逆さまになった状態で、第２基板１０２に転移される。従って、第２基板１０２上に具備された半導体層１３１ａの上面部は、ドーピングされていない状態でもある。
【０１４７】
図３０Ｅを参照すれば、半導体層１３１ａの上面部一部を第２タイプのドーパントでドーピングし、第２ドーピング領域ｄ２を形成することができる。参照番号１３１ｂは、第１ドーピング領域ｄ１と、第２ドーピング領域ｄ２とが形成された半導体層を示す。第２タイプのドーパントは、例えば、ｎ型ドーパントでもある。その場合、第２ドーピング領域ｄ２は、ｎ型ドーピング領域でもある。
【０１４８】
図３０Ｃないし図３０Ｅで使用される第２基板１０２は、例えば、図２９Ｂの構造体、すなわち、基板１００、絶縁層１１０及び第１電極１２０ａを含む構造体でもある。図２９Ｂの構造体を第２基板１０２として利用し、図３０Ｃないし図３０Ｅの工程を進めることができる。それを介して、図２９Ｂの第１電極１２０ａ上に、図３０ｅの半導体層１３１ｂを形成することができる。
【０１４９】
また、図３０Ｃないし図３０Ｅの方法において、第１ドーピング領域ｄ１及び第２ドーピング領域ｄ２は、プラズマドーピング工程や化学的ドーピング工程で形成することができる。例えば、図３０Ａの構造体において、半導体層１３１の上面部（露出部）をＮＯｘが含有された溶液で処理することにより、ｐ型ドーパントでドーピングされた第１ドーピング領域ｄ１を形成することができる。それを、ＮＯｘ化学吸着ということができ、このような工程は、例えば、約１５０℃ほどの温度で遂行することができる。半導体層１３１がＭｏＳ２から形成された場合、ＳがＮＯｘで置換されることにより、ｐ−ドーピングされる。そして、図３０Ｄの構造体において、半導体層１３１ａを、Ｃｌ２あるいはＣｌ−が含有された溶液内に浸すことにより、半導体層１３１ａの上面部（露出部）に、ｎ型ドーパントでドーピングされた第２ドーピング領域ｄ２を形成することができる。半導体層１３１ａがＭｏＳ２から形成された場合、ＳがＣｌで置換されることにより、ｎ−ドーピングされる。半導体層１３１に、第１ドーピング領域ｄ１及び第２ドーピング領域ｄ２を形成するために使用するｐ型ドーパント及びｎ型ドーパント物質（ソース）は、グラフェン層のドーピングのためのｐ型ドーパント及びｎ型ドーパント物質（ソース）と同一であるか、あるいは類似している。また、場合によっては、第１ドーピング領域ｄ１及び第２ドーピング領域ｄ２のうち少なくとも一つは、イオン注入工程によって形成することもできる。
【０１５０】
図３１Ａないし図３１Ｄは、本発明の他の実施形態によるものであり、半導体素子（例えば、光電子素子、トランジスタ）に適用される半導体層の少なくとも一部をドーピングする方法について説明するための断面図である。
【０１５１】
図３１Ａを参照すれば、基板１０３上に、第１半導体層１３３−１を形成することができる。第１半導体層１３３−１は、二次元半導体及び量子ドットのうち少なくとも一つで形成することができる。または、第１半導体層１３３−１は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅのようなIV族系列の半導体、III−Ｖ族半導体、酸化物半導体、窒化物半導体、窒酸化物半導体など多様な半導体物質のうち少なくとも一つを含むように形成することもできる。
【０１５２】
図３１Ｂを参照すれば、第１半導体層１３３−１を、第１タイプのドーパントでドーピングすることができる。第１タイプのドーパントは、例えば、ｐ型ドーパントでもある。その場合、ｐ−ドーピングされた第１半導体層１３３−１ａが形成される。
【０１５３】
図３１Ｃを参照すれば、ｐ−ドーピングされた第１半導体層１３３−１ａ上に、第２半導体層１３３−２を形成することができる。第２半導体層１３３−２は、図３１ａの第１半導体層１３３−１と同一物質であるか、あるいは異なる物質でもある。
【０１５４】
図３１Ｄを参照すれば、第２半導体層１３３−２を、第２タイプのドーパントでドーピングすることができる。第２タイプのドーパントは、例えば、ｎ型ドーパントでもある。その場合、ｎ−ドーピングされた第２半導体層１３３−２ａが形成される。２つのドーピングされた半導体層１３３−１ａ，１３３−２ａをまとめて、１つの半導体層１３３ａと見ることができる。半導体層１３３ａは、多層構造、例えば、二重層構造を有するといえる。半導体層１３３ａの下部層領域が、第１タイプのドーパントでドーピングされ、上部層領域が、第２タイプのドーパントでドーピングされたものであると見ることができる。
【０１５５】
図３１Ａないし図３１Ｄの実施形態で使用される基板１０３は、例えば、図２９Ｂの構造体、すなわち、基板１００、絶縁層１１０及び第１電極１２０ａを含む構造体でもある。 図２９Ｂの構造体を基板１０３として利用し、図３１Ａないし図３１Ｄの工程を進めることができる。それを介して、図２９Ｂの第１電極１２０ａ上に、図３１Ｄの半導体層１３３ａを形成することができる。
【０１５６】
図３０Ａないし図３０Ｅの方法、または図３１Ａないし図３１Ｄの方法を変形すれば、図１１または図１２のような半導体層Ｓ１０ｃ，Ｓ１０ｄ構造を形成することができる。それは、当業者に周知されているところであり、それについての詳細な説明は排除する。
【０１５７】
図３２Ａないし図３２Ｇは、本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法を示す断面図である。本実施形態は、図１９のような半導体素子（光電子素子）を製造する方法の一例を示す。
【０１５８】
図３２Ａを参照すれば、基板１０７上に、第１コンタクト電極１１７を形成することができる。第１コンタクト電極１１７は、透明であってもよく、透明ではなくともよい。第１コンタクト電極１１７上に、第１電極１２７を形成することができる。第１電極１２７は、例えば、グラフェン層から形成することができる。その場合、第１電極１２７は、第１グラフェン層といえる。第１電極１２７をグラフェン層から形成する場合、第１コンタクト電極１１７を触媒として利用して、グラフェン層を形成することができる。
【０１５９】
図３２Ｂを参照すれば、第１電極１２７を第１タイプのドーパントでドーピングし、ドーピングされた第１電極１２７ａを得ることができる。第１タイプのドーパントは、例えば、ｐ型ドーパントでもあり、その場合、ドーピングされた第１電極１２７ａは、ｐ−ドーピングされたグラフェン層でもある。第１電極１２７をドーピングする方法は、図２９Ａ及び図２９Ｂを参照して説明した第１電極１２０のドーピング方法と同一であるか、あるいは類似している。さらに、本実施形態において、第１コンタクト電極１１７を触媒（金属触媒）として利用して、第１電極１２７として使用するグラフェン層を形成する場合、触媒によって、グラフェン層がドーピングされる。触媒物質によってその上に成長されるグラフェン層は、ｐ−ドーピングまたはｎ−ドーピングされる。例えば、Ｎｉ層を触媒として利用して、その上にグラフェン層を成長させる場合、グラフェン層は、Ｎｉ層によってｎ−ドーピングされる。第１コンタクト電極１１７を触媒として利用する場合、第１コンタクト電極１１７の物質、すなわち、触媒物質としては、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｒｕなどを使用することができる。触媒物質を利用して、ドーピングされたグラフェン層を成長させ、それを第１電極１２７ａとして使用する場合、別途のドーピング工程を遂行しない。
【０１６０】
図３２Ｃを参照すれば、ドーピングされた第１電極１２７ａ上に、半導体層１３７を形成することができる。半導体層１３７は、二次元半導体、量子ドット、または一般的な半導体物質から形成することができる。
【０１６１】
図３２Ｄを参照すれば、半導体層１３７上に、第２電極１４７を形成することができる。第２電極１４７は、例えば、グラフェン層から形成することができる。その場合、第２電極１４７は、第２グラフェン層といえる。
【０１６２】
図３２Ｅを参照すれば、第２電極１４７を第２タイプのドーパントでドーピングし、ドーピングされた第２電極１４７ａを得ることができる。第２タイプのドーパントは、例えば、ｎ型ドーパントでもあり、その場合、ドーピングされた第２電極１４７ａは、ｎ−ドーピングされたグラフェン層でもある。第２電極１４７をドーピングする方法は、図２９Ｄ及び図２９Ｅを参照して説明した第２電極１４０のドーピング方法と同一であるか、あるいは類似している。
【０１６３】
図３２Ｆを参照すれば、ドーピングされた第２電極１４７ａ、半導体層１３７及びドーピングされた第１電極１２７ａをパターニングし、第１コンタクト電極１１７の一部を露出させることができる。
【０１６４】
図３２Ｇを参照すれば、ドーピングされた第２電極１４７ａ上に、第２コンタクト電極１５７を形成することができる。第２コンタクト電極１５７は、透明な物質から形成することができるが、そうではなくともよい。第２コンタクト電極１５７は、ドーピングされた第２電極１４７ａより小サイズ（幅）を有するように形成することができるが、同一サイズ（幅）に形成することもできる。場合によっては、第１コンタクト電極１１７ａ、第１電極１２７ａ、半導体層１３７、第２電極１４７ａ及び第２コンタクト電極１５７を、いずれも同一幅に形成することもできる。
【０１６５】
図３２Ａないし図３２Ｇの実施形態においては、第１電極１２７ａがｐ−ドーピングされたグラフェン層であり、第２電極１４７ａがｎ−ドーピングされたグラフェン層である場合について主に説明したが、第１電極１２７ａがｎ−ドーピングされたグラフェン層であり、第２電極１４７ａがｐ−ドーピングされたグラフェン層でもある。他の実施形態によれば、第１電極１２７ａ及び第２電極１４７ａのうち一つは、ｐ−ドーピングされたグラフェン層またはｎ−ドーピングされたグラフェン層から形成することができ、他の一つは、金属性物質層から形成することができる。その場合、ドーピングされたグラフェン層と金属性物質層との仕事関数差は、約０．１〜５ｅＶほどでもある。また、場合によっては、第１電極１２７ａ及び第２電極１４７ａのうち一つは、ｐ−ドーピングされたグラフェン層またはｎ−ドーピングされたグラフェン層から形成することができ、他の一つは、ドーピングされていないグラフェン層から形成することもできる。
【０１６６】
図３２Ａないし図３２Ｇの実施形態に、図３０Ａないし図３０Ｅの方法、または図３１Ａないし図３１Ｄの方法、またはそれらから変形された方法を適用し、半導体層１３７の少なくとも一部をドーピングすることができる。言い換えれば、半導体層１３７が、図９ないし図１２の半導体層Ｓ１０ａ〜Ｓ１０ｄのうち１つの一構造を有するようにすることもできる。
【０１６７】
図３２Ｇの構造を受光素子として使用するとき、光が半導体層１３７の上側から入る場合、第２コンタクト電極１５７は、透明電極でもある。そのとき、第１コンタクト電極１１７と基板１０７は、透明ではなくともよい。光が基板１０７の下側から半導体層１３７で入る場合、基板１０７と第１コンタクト電極１１７は、透明であり、第２コンタクト電極１５７は、透明ではなくともよい。基板１０７と第１コンタクト電極１１７及び第２コンタクト電極１５７がいずれも透明でもよく、基板１０７は、具備されなくともよい。
【０１６８】
以上で説明したような方法で、多様な構造の半導体素子（例えば、光電子素子、トランジスタ）を容易に製造することができる。本発明の実施形態による光電子素子は、例えば、ドーピングされたグラフェン−二次元半導体基板の光電子素子でもあり、このような素子は、ＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージセンサ、ＣＣＤ（charge coupled device）またはヘルスモニタリング素子の光検出器などに適用される。特に、高感度（high sensitivity）、広帯域（broadband）（ＵＶからＩＲまで）及び柔軟性（flexibility）などの特徴が要求される次世代ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）に、本発明の実施形態による光電子素子が有用に適用される。また、本発明の実施形態による光電子素子は、シリコン基板のイメージセンサと結合されたデバイス、または新たな形態のフレキシブルデバイスに適用される。また、本発明の実施形態による光電子素子は、太陽電池に適用され、場合によっては、発光素子にも適用される。併せて、本発明の実施形態によるトランジスタ（トンネリングトランジスタ）は、フレキシブルであり、非常に薄く、優秀な性能を示すことができるので、フレキシブルデバイスを含んだ多様な電子機器に有用に適用される。
【０１６９】
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あるというより、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ないし図４、図７ないし図２２、及び図２７の半導体素子の構成は、多様に変形されるということが分かるであろう。具体的な例として、図３において、半導体層Ｓ１０にｈ−ＢＮのような二次元物質が適用される。その場合、ｈ−ＢＮは、エネルギーバンドギャップ間に少なくとも１つの欠陥レベル（defect level）を有し、それと係わって、光に対して半導体と類似した特性を示すことができる。また、本発明の実施形態による半導体素子において、グラフェンの代わりに他の二次元導電体や、それ以外に他の物質を使用することもできるということが分かるであろう。併せて、図２９Ａないし図２９Ｆ、図３０Ａないし図３０Ｅ、図３１Ａないし図３１Ｄ、そして図３２Ａないし図３２Ｇを参照して説明した半導体素子の製造方法も、多様に変化されるということが分かるであろう。そして、本発明の実施形態による多様な思想は、光電子素子やトランジスタ以外に、他の素子にも適用されるということが分かるであろう。従って、本発明の範囲は、前述の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】
【０１７０】
本発明の二次元物質を含む半導体素子及びその製造方法は、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】
【０１７１】
１００，１０７，ＳＵＢ１０，ＳＵＢ１２−ＳＵＢ１７    基板
１１０    絶縁層
１２０，１２７，Ｅ１０−Ｅ１９    第１電極
１２０ａ，１２７ａ    ドーピングされた第１電極
１３０，１３７，Ｓ１０，Ｓ１２−Ｓ１９    半導体層
１４０，１４７，Ｅ２０−Ｅ２９    第２電極
１４０ａ，１４７ａ    ドーピングされた２電極
１５０，ＣＥ１０，ＣＥ１２−ＣＥ１９    第１コンタクト電極
１６０，ＣＥ２０，ＣＥ２２−ＣＥ２９    第２コンタクト電極
ｄ１，ｄ１０，ｄ１１    第１ドーピング領域
ｄ２，ｄ２０，ｄ２２    第２ドーピング領域
Ｇ５０    ゲート電極
ＧＩ５０    ゲート絶縁層
ＱＤＬ１    量子ドット層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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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２４】
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【図２５】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図２９Ｅ】
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【図２９Ｆ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３０Ｄ】
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【図３０Ｅ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３１Ｄ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３２Ｃ】
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【図３２Ｄ】
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【図３２Ｅ】
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【図３２Ｆ】
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【図３２Ｇ】
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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２３】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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