KR101315966B1 - 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀 패턴을 이용하여 적외선을 검출하는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자에 관한 것으로서, 기판; 상기 기판 상에 형성되며 그래핀으로 구성되거나 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질로 구성된 그래핀 패턴; 상기 그래핀 패턴의 일단부에 형성되는 제1전극; 및 상기 그래핀 패턴의 타단부에 형성되는 제2전극을 포함하여 구성된다. 본 발명에 따르면, 종래 반도체형의 적외선 검출 소자에 비해 반응속도가 우수하고 검출 감도 특성이 향상된 새로운 구조의 적외선 검출 소자가 제공된다.
Description
본 발명은 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조가 간단하면서 적외선의 검출 감도 및 검출 정확도가 매우 높고 반응속도가 우수한 새로운 구조의 적외선 검출 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 적외선 검출 소자는 물체로부터 방사된 복사에너지를 검출하기 위해 사용된다. 적외선 검출 소자는 적외선을 감지하는 방식에 따라 반도체형과 열형으로 나눌 수 있다. 반도체형은 주로 반도체 재료를 이용한 센서이며, 열형은 반도체 이외의 재료로 제작된다. 반도체형 센서는 적외선 파장에 따라 특성이 변하지만, 열형 센서는 파장에 관계없이 일정한 성능을 보인다.
종래 반도체형 센서는 재료의 특성상 실온보다 낮은 온도에서 사용되는 등 용도에 제한적인 단점이 있지만, 열형 센서에 비해 반응속도 및 검출감도는 비교적 높은 편이다. 이에 반해 열형 센서는 상온에서 동작하지만, 반응속도 및 검출 감도가 좋지 않아 고성능을 필요로 하지 않는 로우엔드(low-end) 분야에 주로 사용된다.
대부분의 반도체형 센서는 적외선 에너지를 광자로서 흡수하고, 흡수된 적외선 광자들은 검출기 내에 전자를 여기시켜 전류를 발생하는 구조로 구성된다. 여기된 광자의 수에 따라 검출기 내의 전기저항도 비례적으로 변하게 되며, 이 저항 변화를 판독하는 등으로 적외선을 검출한다.
그런데, 종래 반도체형 센서는 앞서 언급한 바와 같이 온도 조건에 민감하여, 주변 상황에 따라 검출 오차가 발생하고 있다.
본 발명의 목적은 종래 적외선 검출 소자에 비해 반응속도 및 감도 특성이 우수한 새로운 구조의 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성되며 그래핀으로 구성되거나 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질로 구성된 그래핀 패턴; 상기 그래핀 패턴의 일단부에 형성되는 제1전극; 및 상기 그래핀 패턴의 타단부에 형성되는 제2전극을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 그래핀 패턴은 그래핀 옥사이드로 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 그래핀 패턴은 그래핀 또는 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질을 열처리하여 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 그래핀 패턴에 적외선이 조사될 때 상기 제1전극 및 제2전극간의 전위차를 측정하여 적외선을 검출한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 그래핀 패턴에 적외선이 조사될 때 상기 제1전극 및 제2전극간의 전류 변화를 측정하여 적외선을 검출한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 그래핀 패턴에 적외선이 조사될 때 상기 제1전극 및 제2전극간 저항값 변화를 측정하여 적외선을 검출한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 제1전극과 제2전극은 이종의 금속재로 구성되며, 제1전극을 구성하는 물질의 일함수와 제2전극을 구성하는 물질의 일함수가 서로 다르다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 복수개의 그래핀 패턴이 중간전극을 매개로 직렬 연결되며, 기단의 그래핀 패턴 일단부에는 상기 제1전극이 연결되고 선단의 그래핀 패턴 타단부에는 상기 제2전극이 연결되는 구조를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 제1전극, 제2전극, 및 중간전극은 금속재로 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 제1전극, 제2전극, 및 중간전극은 상기 그래핀 패턴과의 접촉부에서 그래핀 패턴에 비해 넓은 단면적을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 그래핀 패턴과 상기 중간전극은 'ㄹ'자 형태로 연속하여 연결된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 그래핀 패턴의 일단부에 접촉되는 전극의 제1접촉단면부에 비해 그래핀 패턴의 타단부에 접촉되는 전극의 제2접촉단면부가 상대적으로 넓은 구조를 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 제1접촉단면부에 비해 상기 제2접촉단면부가 2배 이상의 넓은 단면적을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 제1접촉단면부 및 제2접촉단면부 중 어느 하나의 접촉단면부는 기판의 가장자리에 배치되고, 다른 하나의 접촉단면부는 기판의 중앙부에 배치되며, 상기 기판의 배면 중앙부에는 방열을 방지하기 위한 멤브레인이 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 제1접촉단면부 및 상기 제2접촉단면부는 상기 그래핀 패턴의 상면에 형성된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자는, 상기 제1접촉단면부는 상기 그래핀 패턴의 상면에 형성되며, 상기 제2접촉단면부는 상기 그래핀 패턴의 하면에 형성된다.
본 발명의 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자에 따르면, 적외선 검출을 위한 소재로서 그래핀을 이용함에 따라 다른 반도체 소자에 비해 주변 온도, 물리적 변형, 기타 주변 상황의 변화에도 전기전도도를 유지하며, 적외선의 검출 감도 및 검출 정확도가 매우 높고 반응속도가 우수한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 복수개의 그래핀 패턴을 직렬 연결하여 적외선 조사시에 제1전극과 제2전극 양단의 전위차를 증폭시킴으로써 검출 정확도 및 검출 감도를 더 크게 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 그래핀 패턴의 일단에서 전극과 접촉되는 제1접촉단면부와 타단에서 전극과 접촉되는 제2접촉단면부의 단면적을 달리하여 캐리어(carrier)의 흐름을 일정방향으로 유도함으로써 검출 특성을 안정되게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기판 상에서 제1접촉단면부 및 제2접촉단면부 중 어느 하나를 기판의 중앙부에 집중 배치하고 다른 하나를 기판의 가장자리에 배치하며, 기판 배면의 중앙부에 방열 방지를 위한 멤브레인을 형성하여, 제백효과를 높입으로써 그래핀 패턴에서의 전압출력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 접촉 단면적이 좁은 제1접촉단면부에서는 금속재 전극이 그래핀 패턴의 상면에 형성되도록 하고, 접촉 단면적이 넓은 제2접촉단면부에서는 금속재 전극이 그래핀 패턴의 하면에 형성되도록 함으로써, 제1접촉단면부와 제2접촉단면부의 면적을 가능한 크게 하고 둘의 면적 차이 역시 크게 하면서도 그래핀 패턴의 노출부 면적을 넓게 할 수 있어 검출 감도를 향상시키며, 방열 방지를 위한 멤브레인이 별도로 필요 없도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기본적인 구성을 예시한 평면도,
도 2는 도 1의 Z-Z 단면을 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예를 개념적으로 예시한 평면도,
도 4는 본 발명이 웨이퍼 상에 형성된 예를 보인 평면도,
도 5는 도 4에서 A 부분을 확대 도시한 평면도,
도 6은 도 5에서 B 부분을 확대 도시한 평면도,
도 7은 본 발명에 따른 적외선 검출 소자의 제조공정을 예시한 도면, 및
도 8은 본 발명의 다른 실시예를 개념적으로 예시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 Z-Z 단면을 도시한 단면도,
도 3은 본 발명의 일실시예를 개념적으로 예시한 평면도,
도 4는 본 발명이 웨이퍼 상에 형성된 예를 보인 평면도,
도 5는 도 4에서 A 부분을 확대 도시한 평면도,
도 6은 도 5에서 B 부분을 확대 도시한 평면도,
도 7은 본 발명에 따른 적외선 검출 소자의 제조공정을 예시한 도면, 및
도 8은 본 발명의 다른 실시예를 개념적으로 예시한 단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.
실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2구성요소는 제1구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1구성요소도 제2구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명에 따른 적외선 검출 소자는 적외선 파장을 검출하기 위한 수단으로서 그래핀(graphene)으로 구성되거나 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질로 구성된 그래핀 패턴을 이용한다. 통상적으로 그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어내서 얻어지는 물질로서 탄소로 구성된 나노물질이다. 그래핀은 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 상온 캐리어 이동도와 열전도율이 매우 높고 전기전도도가 매우 뛰어난 반도체이다. 본 발명의 실시예에서, 그래핀 패턴은 그래핀 옥사이드(graphene oxide)로 구성될 수도 있다. 그래핀 옥사이드는 예컨대 흑연을 강력한 산화제로 산화시켜 생성된다. 또한, 본 발명의 실시예에서, 그래핀 패턴은 검출 감도를 높이기 위하여 그래핀 또는 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질을 열처리하여 형성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 기본적인 구성을 예시한 평면도이고, 도 2는 도 1의 Z-Z 단면을 도시한 단면도로서, 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자의 이해를 돕기 위한 예시이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 적외선 검출 소자는 기판(100)의 상면에 그래핀 패턴(110)이 올려지고, 그래핀 패턴(110)의 양단에 제1전극(120) 및 제2전극(130)이 형성된 구조를 갖는다.
그래핀 패턴(110)은 앞서 언급한 바와 같이 그래핀으로 구성되거나 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질로 구성될 수 있다. 통상 그래핀을 제조하기 위하여 흑연을 1차로 산화하고 이를 다시 환원하여 그래핀을 생성할 수 있다. 이때, 환원 공정에 의해 그래핀을 최종 생성하기 전단계인 그래핀 옥사이드로 그래핀 패턴(110)을 구성할 수도 있다. 또한, 그래핀 패턴(110)은 그래핀, 그래핀 옥사이드 또는 그래핀을 부분적으로 포함하는 어떤 재료에 열처리를 가하여 구성될 수도 있다.
도시한 바와 같이, 기판(100) 위에 그래핀 패턴(110)이 선형으로 올려진 상태에서, 그래핀 패턴(110)의 일단부에는 제1전극(120)이 형성되며, 타단부에는 제2전극(130)이 형성된다. 제1전극(120) 및 제2전극(130)은 그래핀 패턴(110)의 일단부 및 타단부에 각각 접촉되어 전기적으로 연결된다.
도 1과 같은 구조의 적외선 검출 소자에서, 다양한 방법으로 적외선 검출이 가능하다. 예를 들어, 그래핀 패턴(110)에 적외선이 조사될 때, 제1전극(120)과 제2전극(130) 사이의 전위차를 측정하여 적외선을 검출할 수 있다. 이를 위하여 도 1에서와 같이 제1전극(120)과 제2전극(130) 사이에는 전압계(150)가 설치될 수 있다.
다른 예로서, 전류 검출 방식으로 적외선을 검출할 수도 있다. 이를 위하여 도 1에서와 같이 제1전극(120)과 제2전극(130) 사이에는 전류계(140)가 설치될 수 있다. 또 다른 예로서, 제1전극(120)과 제2전극(130) 사이의 저항값을 측정하여 적외선을 검출할 수도 있다.
그리고, 언급된 검출 방법 이외에 제1전극(120)과 제2전극(130) 사이에서의 다른 전기적 신호로 적외선을 검출할 수도 있으며, 언급된 검출 방법 둘 이상이 복합적으로 이용되어 적외선을 검출할 수도 있다. 또한, 제1전극(120)과 제2전극(130) 사이에 별도의 검출전압 또는 검출전류를 인가할 수도 있다.
제1전극(120)과 제2전극(130)은 동일한 금속재로 구성될 수 있다. 또한, 제1전극(120)과 제2전극(130)은 이종의 금속재로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제1전극(120)은 일함수가 높은 금속재로 구성되고, 제2전극(130)은 일함수가 낮은 금속재로 구성되어, 제백효과(seebeck effect)에 발생된 기전력을 검출하도록 구성할 수도 있다.
이제 본 발명에 따른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자의 다양한 실시예에 대하여 살펴보고자 한다. 이하에서 언급되는 실시예들은 그래핀 패턴과 전극들의 구조, 형상 등에 대하여 중점적으로 언급하기로 한다. 그래핀 패턴(110)의 최종 양단에 접속된 제1전극(120) 및 제2전극(130)에서 어떤 신호를 어떻게 검출하는지에 대하여는 앞에서 다양하게 살펴본 바 있으며, 또한 이러한 검출계의 구성은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 구현될 수 있는 바, 이하에서는 검출계의 구성에 대하여는 구체적인 언급을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일실시예를 개념적으로 예시한 평면도이다. 도 3을 참조하면, 복수개의 그래핀 패턴(110)이 중간전극(125)를 매개로 직렬 연결된다. 그리고 기단에 위치한 그래핀 패턴(110)의 일단에는 제1전극(120)이 연결되며, 선단에 위치한 그래핀 패턴(110)의 일단에는 제2전극(130)이 연결된다. 이와 같이, 복수개의 그래핀 패턴(110)을 직렬로 연결하여 제1전극(120)과 제2전극(130) 양단의 전위차를 증폭시킬 수 있으며, 이는 검출 감도를 높게 한다.
여기서, 제1전극(120), 중간전극(125), 제2전극(130)은 모두 그래핀 패턴(110)의 상면에 형성된다. 또한, 그래핀 패턴(110)과의 접촉 부위에서 그래핀 패턴(110)에 비해 넓은 단면적을 갖는다. 이와 같이 전극들이 그래핀 패턴(110)과의 접촉 부위에서 그래핀 패턴(110)을 덮도록 형성되면, 그래핀 패턴(110)과 전극간의 결합력을 보다 견고하게 할 수 있다.
바람직하게는, 도 3에서와 같이 그래핀 패턴(110)의 일단에 접촉되는 전극의 접촉 단면적(이하에서는 "제1접촉단면부"라 칭함)에 비해, 그래핀 패턴(110)의 타단에 접촉되는 전극의 접촉 단면적(이하에서는 "제2접촉단면부"라 칭함)가 상대적으로 넓은 구조를 갖는다. 그리고 그래핀 패턴(110) 중 적외선이 조사되는 노출 부위를 노출부(116)라 칭하기로 한다.
여기서, 그래핀 패턴(110)의 일단 또는 타단에 접촉되는 전극은 제1전극(120), 중간전극(125), 제2전극(130) 중 어느 하나의 전극으로서, 이하에서 "전극"이라는 용어는 이들 전극들(120, 125, 130)을 포괄하는 의미로 사용된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 그래핀 패턴(110)에 적외선이 조사될 때, 전극과의 접촉면적이 넓은 제2접촉단면부(114)에 많은 캐리어(carrier, 예컨대 정공 등과 같은)가 형성되며, 제1접촉단면부(112)에는 상대적으로 적은 캐리어가 형성된다. 그리고, 캐리어는 제2접촉단면부(114)로부터 제1접촉단면부(112)측으로 이동하게 된다. 따라서, 복수개의 그래핀 패턴(110)을 직렬로 연결한 경우, 전류의 흐름을 일정방향으로 유도할 수 있다.
도 4 내지 6은 본 발명의 적외선 검출 소자의 실제 구현예를 보여주는 도면이다. 먼저, 도 4는 본 발명의 적외선 검출 소자가 웨이퍼 상에 형성된 평면도이다. 도 4에서와 같이, 원형의 웨이퍼(200) 상에 복수개의 적외선 검출 소자 단위유닛(210)이 형성된다. 도 4에서 T(Top), B(Bottom), R(Right), L(Left)의 기호는 웨이퍼(200)의 방향을 표시하기 위해 식각된 기호이다.
도 5는 도 4에서 A 부분을 확대 도시한 평면도이다. 도 5에서 테두리에 굵게 도트 표시된 부분은 방열 방지를 위한 멤브레인(170)을 형성하기 위해 배면(backside)을 식각할 때 함께 식각되는 부분이다. 이러한 식각 공정을 통하여 적외선 검출 소자 단위유닛(210)으로 싱귤레이션(Singulation) 될 수 있다.
도 5를 참조하면, 기판(100)의 외곽부에는 얼라인 마크(165)가 형성되고, 하단부 양단으로 제1전극(120) 및 제2전극(130)이 형성된다. 제1전극(120)과 첫 번째 그래핀 패턴(110)의 접촉부를 살펴보면, 접촉 단면적이 작은 제1접촉단면부(112)를 형성한다. 그리고 첫 번째 그래핀 패턴(110)의 타단에는 중간전극(125)이 연결된다. 첫 번째 그래핀 패턴(110)의 타단부와 중간전극(125)의 접촉부는 접촉 단면적이 큰 제2접촉단면부(114)를 형성한다.
도 6은 도 5의 B 부분을 확대 도시한 평면도로서, 위와 같은 전극 연결 구조를 잘 확인할 수 있다. 나아가서, 그래핀 패턴(110)과 중간전극(125)들이 마치 'ㄹ'자 형태로 연속하여 이어지는 것을 볼 수 있다. 이러한 배치는 한정된 면적 안에서 그래핀 패턴의 노출부(116)를 가능한 크게 하면서 중간전극(125)에 의해 직렬 연결되는 그래핀 패턴(110)의 수를 늘릴 수 있다.
도 5를 참조하면, 그래핀 패턴(110)과 중간전극(125)이 'ㄹ'자 형태로 연속하여 이어지는 단위 형태가 마치 바람개비 형상으로 형성된 것을 볼 수 있다. 그리고, 이와 같은 배치에 따르면, 제1접촉단면부(112)는 기판(100)의 중앙부에 집중하여 배치되며, 제2접촉단면부(114)는 기판(100)의 가장자리에 배치되는 것을 알 수 있다.
도 5에서 제1접촉단면부(112)가 배치된 영역과 대응하여, 기판(100)의 배면 중앙부에는 방열 방지를 위한 박막인 멤브레인(170)이 형성된다. 도 5에서와 같은 전극 배치와 멤브레인(170)의 형성에 따르면, 제1접촉단면부(112)와 제2접촉단면부(114)간의 온도 차를 크게 벌어지게 할 수 있다. 이는 제1접촉단면부(112)와 제2접촉단면부(114)간 제백효과를 크게 하여 적외선 검출 감도를 더욱 높아지게 한다.
도시하지 않았지만, 도 5의 예시와는 반대로 제1접촉단면부(112)가 기판(100)의 가장자리에 위치하고, 제2접촉단면부(114)가 기판(100)의 중앙부에 집중 배치될 수도 있을 것이며, 동일한 제백효과에 의해 그래핀 패턴(110) 상에서 전기전도도를 더욱 높일 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 적외선 검출 소자의 제조과정을 예시한 도면이다. 도 7을 참조하여, 적외선 검출 소자의 제조과정을 설명하면 다음과 같다.
도 7a는 그래핀 형성과정, 7b는 제1전극 및 중간전극의 형성과정, 7c는 제2전극의 형성과정, 7d는 트렌치 형성과정을 각각 단계적으로 보이고 있다.
도 7a를 참조하면, 웨이퍼 표면을 세정하여 기판(100)을 준비한다(ST100). 본 예시에서, 기판은 Si3N4/SiO2/Si/SiO2/Si3N4 기판이다. 즉, 실리콘 기판의 양면에 이산화실리콘 산화막을 형성하고, 다시 그 양면에 실리콘나이트라이드 유전막을 형성한 기판이다.
다음 단계에서 기판(100)의 상면에 그래핀층을 형성한다(ST110). 그래핀층은 별도의 기판에 성장 후 Si3N4/SiO2/Si/SiO2/Si3N4 기판으로 옮겨질 수 있다. 다른 예로서, 그래핀층은 Si3N4/SiO2/Si/SiO2/Si3N4 기판 위에 직성장될 수도 있다. 예컨대, 금속층(Ni, Cu 등) 위에 화학기상증착법(CVD) 또는 플라즈마 향상 화학기상증착법(PECVD) 등의 방법으로 그래핀층을 직성장할 수 있다. 그리고, 이 단계에서 그래핀층에 열처리를 가할 수 있다.
다음으로 그래핀 패턴(110)의 형상에 대응하여 그래핀층이 제거될 영역에는 포토레지스트를 형성한 후(ST120) Au를 증착한다(ST120). 그리고 포토레지스트를 제거하여 그래핀 패턴을 보호하는 Au 층을 형성한다. 다음으로 건식식각을 이용하여 Au가 증착된 영역 이외의 영역을 제거하고, Au를 제거하여 그래핀 패턴(110)을 얻는다(ST130).
도 7b를 참조하면, 그래핀 패턴(110)을 덮도록 포토레지스트 패턴을 형성하며, 이때 포토레지스트의 개구부를 통해 그래핀 패턴(110)의 일단부가 노출되도록 한다(ST140). 그리고 포토레지스트의 개구 영역에 제1전극(120)을 형성할 금속물질을 증착하고 포토레지스트를 박리한다(ST150). 도 7b의 과정을 거쳐 그래핀 패턴(110) 일단부에 접속되는 제1전극(120) 및 중간전극(125)이 형성된다.
도 7c를 참조하면, 그래핀 패턴(110)과 제1전극(120) 및 중간전극(125)을 덮도록 포토레지스터 패턴을 형성하며, 이때 포토레지스트의 개구부를 통해 제2전극(130)이 형성될 영역이 노출되도록 한다(ST160). 도 7b의 공정에서와 마찬가지로, 포토레지스트의 개구 영역에 제2전극(130)을 형성할 금속물질을 증착하고 포토레지스트를 박리한다(ST170). 도 7c의 과정을 거쳐 그래핀 패턴(110) 타단부에 접속되는 제2전극(130)이 형성된다. 또한, 도 7c의 과정에 의하여 도7b 단계에서 형성되지 않은 중간전극(125)의 잔여부분이 더 형성된다.
도 7d의 공정은 트렌치(trench) 형성 공정이다. 만약, 적외선 검출 소자를 스택(stack) 방식으로 형성한다면 이 공정은 요구되지 않을 것이다. 도 7d를 참조하면, 기판(100)의 배면 가장자리에 포토레지스트를 형성한다(ST180). 그리고, 다이싱 장비에서 포토레지스트에 의한 마스킹 이외의 부분을 에칭하여, 기판(100)의 배면 중앙부에 트렌치(180)를 형성한다(ST190).
또한, 전술한 바와 같이 기판(100)의 배면에 방열 방지를 위한 멤브레인(170)을 형성하는 공정이 선택적으로 추가될 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 다른 실시예를 개념적으로 묘사하고 있다. 다른 실시예는 앞서 도 4내지 6의 실시예와 유사하지만, 전극과 그래핀 패턴(110)의 접촉 구조가 상이하다.
도 8을 참조하면, 상기한 제1접촉단면부(112)는 그래핀 패턴(110)의 상면에 형성되고, 제2접촉단면부(114)는 그래핀 패턴(110)의 하면에 형성된다. 즉, 접촉 단면적이 작은 부분에서는 전극이 그래핀 패턴(110)의 상면을 덮는 구조이지만, 접촉 단면적이 넓은 부분에서는 전극이 그래핀 패턴(110)의 하면으로 접하는 구조를 갖는다.
이러한 구조에 따르면, 도 8에서와 같이 그래핀 패턴(110)의 노출부(116)를 가능한 넓게 하면서도 제2접촉단면부(114)의 단면적을 크게 할 수 있어서, 제1접촉단면부(112)와 제2접촉단면부(114)의 단면적 차이를 가능한 크게 차이나도록 하여 검출 감도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 제백효과를 증가시키기 위한 기판(100) 배면의 멤브레인(170)이 불필요하여, 적외선 검출 소자의 제조공정을 감축시키고 제조 코스트를 절감할 수 있게 된다.
위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
100 : 기판 110 : 그래핀 패턴
112 : 제1접촉단면부 114 : 제2접촉단면부
116 : 노출부 120 : 제1전극
125 : 중간전극 130 : 제2전극
140 : 전류계 150 : 전압계
160 : 커팅 라인 165 : 얼라인 마크
170 : 멤브레인 180 : 트렌치
200 : 웨이퍼 210 : 적외선 검출 소자 단위유닛
112 : 제1접촉단면부 114 : 제2접촉단면부
116 : 노출부 120 : 제1전극
125 : 중간전극 130 : 제2전극
140 : 전류계 150 : 전압계
160 : 커팅 라인 165 : 얼라인 마크
170 : 멤브레인 180 : 트렌치
200 : 웨이퍼 210 : 적외선 검출 소자 단위유닛
Claims (16)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되며 그래핀으로 구성되거나 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질로 구성된 복수의 그래핀 패턴;
기단의 그래핀 패턴 일단부에 형성되는 제1전극;
상기 그래핀 패턴과 그래핀 패턴 사이에 연결되어 그래핀 패턴들을 직렬 연결하는 중간전극; 및
선단의 그래핀 패턴 타단부에 형성되는 제2 전극을 포함하며,
상기 그래핀 패턴의 일단부에 접촉되는 전극의 제1접촉단면부에 비해 그래핀 패턴의 타단부에 접촉되는 전극의 제2접촉단면부가 상대적으로 넓은 구조를 갖는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 그래핀 패턴은 그래핀 옥사이드로 구성되는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 그래핀 패턴은 그래핀 또는 그래핀을 부분적으로 포함하는 물질을 열처리하여 형성되는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그래핀 패턴에 적외선이 조사될 때 상기 제1전극 및 제2전극간의 전위차를 측정하여 적외선을 검출하는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그래핀 패턴에 적외선이 조사될 때 상기 제1전극 및 제2전극간의 전류 변화를 측정하여 적외선을 검출하는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 그래핀 패턴에 적외선이 조사될 때 상기 제1전극 및 제2전극간 저항값 변화를 측정하여 적외선을 검출하는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1전극과 제2전극은 이종의 금속재로 구성되며, 제1전극을 구성하는 물질의 일함수와 제2전극을 구성하는 물질의 일함수가 서로 다른 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1전극, 제2전극, 및 중간전극은 금속재로 형성되는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1전극, 제2전극, 및 중간전극은 상기 그래핀 패턴과의 접촉부에서 그래핀 패턴에 비해 넓은 단면적을 갖는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 그래핀 패턴과 상기 중간전극은 'ㄹ'자 형태로 연속하여 연결되는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1접촉단면부에 비해 상기 제2접촉단면부가 2배 이상의 넓은 단면적을 갖는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1접촉단면부 및 제2접촉단면부 중 어느 하나의 접촉단면부는 기판의 가장자리에 배치되고, 다른 하나의 접촉단면부는 기판의 중앙부에 배치되며,
상기 기판의 배면 중앙부에는 방열을 방지하기 위한 멤브레인이 형성된 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1접촉단면부 및 상기 제2접촉단면부는 상기 그래핀 패턴의 상면에 형성되는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1접촉단면부는 상기 그래핀 패턴의 상면에 형성되며, 상기 제2접촉단면부는 상기 그래핀 패턴의 하면에 형성되는 그래핀을 이용한 적외선 검출 소자.
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