KR101546500B1 - 광 검출 소자 및 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
광 검출 소자 및 광 검출 소자의 제작 방법에 관한 것으로, 광 검출 소자는 게이트 전극을 포함하고, 유전체층 및 자가결합계면층이 형성된 기판, 자가결합계면층의 상부에 서로 이격 되어 형성된 소스 전극 및 드레인 전극, 소스 전극과 드레인 전극을 연결하는 그래핀 채널층 및, 그래핀 채널층 상부에 형성된 페로브스카이트 박막을 포함한다.
Description
본 발명은 광 검출 소자 및 제조 방법에 관한 것이다.
광 검출기는 광신호를 전기적인 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자로서, 초고속 대용량 광통신 시스템, 영상처리 시스템, 의료기기 등 다양한 산업 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다. 따라서, 광 검출기에 적용될 수 있는 공정 방법과 저비용, 고성능의 광 검출 소자에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 광 검출 소자들의 광 검출 민감도 등은 주요한 문제점으로 대두되고 있다.
이에 따라, 전자와 정공(hole)에 대해서 기존에 알려진 물질보다 높은 이동도(mobility)를 가지는 그래핀이나 금속 칼코제나이드 등의 물질을 광 검출 소자의 채널로 이용하여 광 검출 소자의 특성을 향상시키는 것에 관한 연구가 진행되고 있다. 이러한 광 검출 소자의 특성을 적외선에서 자외선 영역까지 넓은 파장 대역의 광에 대해 검출 민감도를 가진다.
앞서 전술한 예는, 대한민국 등록 특허 제 10-1154347 호(발명의 명칭: 그래핀 박막과 나노 입자를 이용한 광검출기 및 그 제조 방법)에는 기상 탄소 공급원을 이용한 그래핀 증착을 통해 제작한 시트 형상의 그래핀 박막 및 그래핀 박막 위에 형성되며 그래핀 박막의 전극 영역을 정의하도록 패터닝되어 있고 매트릭스 물질 없이 나노 입자로 이루어진 나노 입자층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출기가 개시되어 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 페로브스카이트와 그래핀의 하이브리드 구조를 통해 넓은 파장 대역의 빛을 높은 민감도로 검출 가능한 광 검출 소자를 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 광 검출 소자는 게이트 전극을 포함하고, 유전체층 및 자가결합계면층(Self-Assembled Monolayer)이 형성된 기판, 자가결합계면층의 상부에 서로 이격 되어 형성된 소스 전극 및 드레인 전극, 소스 전극과 드레인 전극을 연결하는 그래핀 채널층 및, 그래핀 채널층 상부에 형성된 페로브스카이트 박막을 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따른 광 검출 소자의 제조 방법은, 게이트 전극을 포함하는 기판에 유전체층 및 자가결합계면층(Self-Assembled Monolayer)을 형성하는 단계; 자가결합계면층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계; 소스 전극 및 드레인 전극 상에 그래핀 채널층을 형성하는 단계; 및 그래핀 채널층 상에 페로브스카이트 박막을 형성하는 단계를 포함한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 페로브스카이트와 그래핀의 하이브리드 구조의 광 검출 소자를 통해, 고성능, 고효율의 광 검출이 가능하다.
또한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 기존의 광 검출 소자에 비하여 넓은 파장 대역의 빛을 높은 민감도로 검출 하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자의 단면 구조를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 구조의 광 검출 소자의 제조방법을 상세히 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트가 코팅된 그래핀 채널층의 광학현미경(Optical microscope, OM)사진이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 박막과 페로브스카이트 박막의 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 구조와 광 발광 세기 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 다양한 파장에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 광 검출 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 광검출 소자의 파장에 따른 광 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 광검출 소자의 파장에 따른 광 응답 특성과 유효 양자 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 다양한 빛의 세기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 6b은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6c은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 응답 특성과 유효 양자 효율을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 다양한 빛의 세기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 다양한 드레인 전압에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 응답 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 시간 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 구조의 광 검출 소자의 제조방법을 상세히 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트가 코팅된 그래핀 채널층의 광학현미경(Optical microscope, OM)사진이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 박막과 페로브스카이트 박막의 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 구조와 광 발광 세기 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 5a는 다양한 파장에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 광 검출 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 광검출 소자의 파장에 따른 광 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 광검출 소자의 파장에 따른 광 응답 특성과 유효 양자 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6a는 다양한 빛의 세기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 6b은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6c은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 응답 특성과 유효 양자 효율을 나타내는 그래프이다.
도 7a는 다양한 빛의 세기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 다양한 드레인 전압에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 응답 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 시간 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자 및 제조방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자의 단면 구조를 도시하고 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는, 게이트 전극을 포함하는 기판(100), 기판 상부에 형성된 유전체층(110), 유전체층(110) 상부에 형성된 자가결합계면층 (Self-Assembled Monolayer) (120), 자가결합계면층 (Self-Assembled Monolayer)(120)의 상부에 서로 이격되어 형성된 드레인 전극(210) 및 소스 전극(220) 및, 드레인 전극(210) 및 소스 전극(220)을 연결하는 채널층(300), 채널층(300)에 코팅된 페로브스카이트 박막(400)을 포함할 수 있다. 이때, 채널층(300)은 핵사고날 원자 물질로 구성된 것 중 어느 하나일 수 있다. 이때, 핵사고날 원자 물질은 바람직하게는 그래핀일 수 있으며, 그 두께는 제한하지 않는다.
먼저, 기판(100)은 일반적으로 반도체 소자용으로 사용되는 기판으로서, 유리(glass), 석영(quartz), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge)등을 사용할 수 있다. 또한 유연한 광 검출 소자를 구현하기 위해서, 금, 은, 구리, 알루미늄등의 금속 전극 또는 ITO, 그래핀 등의 투명 전극이 코팅된 폴리에틸렌 프탈레이트(Polyethylene phthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌이민(polyethylenimine , PEI) 등을 포함하는 플라스틱 기판이 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는, 기판(100)의 하부에 게이트 전극(미도시됨)을 포함할 수 있다. 이때 게이트 전극은 금속으로 구성될 수 있고, 예를 들어, 알류미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni)등의 금속 및 그래핀, 은나노와이어필름, 금속 그리드, ITO를 포함하는 투명 전극 혹은 이들의 조합으로 이루어진 것으로 구성될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는, 기판의 상부에 유전체층(110)을 포함하고 있을 수 있다. 이때, 유전체층(110)은 일례로, 300nm 정도의 두께를 가지는 실리콘 산화막(SiO2)일 수 있으나, 이에 제한되지는 않으며, 유전체층(110)의 두께는 필요에 따라 조절될 수 있다. 또한, 기판(100)은 유전체층(110)위에 자가결합계면층(Self-Assembled Monolayer)(120)층을 포함할 수 있다. 이때, 자가결합계면층(Self-Assembled Monolayer)(120)은 실라놀 그룹(silanol groups)으로 이루어진 것으로, 일례로, n-옥타데실트리메톡시실란(n-octadecyltrimethoxysilane, ODTS)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는, 자가결합계면층(120)의 상부에 드레인 전극(210) 소스 전극(220)이 서로 이격되어 형성될 수 있다. 이때, 드레인 전극(210) 및 소스 전극(220)은 금속으로 구성될 수 있고, 예를 들어, 알류미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni) 등의 금속 및 그래핀, 은나노와이어필름, 금속 그리드, ITO를 포함하는 투명 전극 혹은 이들의 조합으로 이루어진 것으로 구성될 수 있다.
또한, 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는, 드레인 전극(210) 및 소스 전극(220)을 사이에 채널층(300)이 형성되어 드레인 전극(210) 및 소스 전극(220)을 전기적으로 연결되도록 해 줄 수 있다. 이때, 채널층(300)은 핵사고날 원자 물질로 구성된 것으로서, 일례로 이황화몰리브덴(MoS2)과 같은 금속칼코제나이드 또는 그래핀(Grephene)일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는 그래핀 채널층(300) 위에 페로브스카이트 박막(400)이 코팅되어 있을 수 있다. 여기서, 페로브스카이트는 큐빅 AMX3구조를 가진 화합물로써, M은 금속 양이온으로 구성되며, X는 할로겐화물(halide)또는 산화물(oxide)를 포함하는 음이온으로 구성된다. 따라서, 페로브스카이트는 중앙에 금속 양이온이 존재하고, 넓은 파장별 반응과 큰 광학단면(Optical cross section)을 가지며 광 흡수체로 사용이 가능할뿐아니라, 전자와 홀 모두를 전송 가능하다.
따라서, 페로브스카이트 박막(400)은 할로겐화물의 비율변화 또는 유기물의 비율을 변화시킨 메틸암모늄납할로겐화합물(methylammonium lead halide) 중 어느 하나의 물질로 이루어 질 수 있다. 페로브스카이트 물질은 일례로, 메틸암모튬납요오드브롬 (CH3NH3PbI2Br), 메틸암모늄납요오드(CH3NH3PbI3)일 수 있으나 이에 한정된 것은 아니다. 또한, 페로브스카이트 박막(400)은 할로겐화물의 비율변화 또는 유기물의 비율을 변화에 따라 흡수파장대와 전하이동도 및 결정화도 등이 변화할 수 있으며, 이에 따라, 그래핀 광검출소자의 효율 및 흡수파장대가 변화할 수 있다.
또한, 페로브스카이트 박막(400)은 그래핀 채널층(300)과 Pi-Pi 결합에 의하여 상호작용을 이루며, 이를 통해 페로브스카이트 박막(400)에서 광여기된 전하들이 그래핀 채널층(300)으로 전달되는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은 흡광 효율을 가지는 페로브스카이트와 높은 전하이동도를 가지는 그래핀의 하이브리드 구조를 통하여 고성능, 고효율의 광 검출 소자를 제작하는 것이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 구조의 광 검출 소자의 제조방법을 상세히 설명하기 위한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 제조방법은, 기판상에 유전체층 및 자가결합계면층을 형성하는 단계(s100); 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(s200); 그래핀 채널층을 형성하는 단계(s300); 및 페로브스카이트 박막을 형성하는 단계(s400)를 포함할 수 있다.
먼저, 전도성 게이트 전극을 포함하는 기판(100)에 유전체층 및 자가결합계면층을 형성하는 단계(s100)에서 n-도핑 또는 p-도핑된 실리콘 웨이퍼 위에 유전체층(110)으로 실리콘 산화막을 300nm 정도의 두께로 열 성장 시킬 수 있다. 혹은 유전체를 플라즈마 화학기상증착법 혹은 원자층 증착법 등을 이용하여 고품질로 증착할 수 있다. 이때, 유전체는 실리콘 산화막뿐 아니라 알루미늄 산화막, 하프늄 산화막, 실리콘 질화막, 보론 질화막 등으로 특정 물질에 국한되지 않는다. 또한, 산화막 및 자가결합계면층을 형성하는 단계(s100)에서, 유전체층(110)상에 자가결합계면층(Self-Assembled Monolayer)(120)층을 형성시킬 수 있다. 이때, 자가결합계면층(Self-Assembled Monolayer)(120)은 실라놀 그룹(silanol groups)으로 이루어 진 것으로, 일례로, n-옥타데실트리메톡시실란(n-octadecyltrimethoxysilane, ODTS)일 수 있다.
다음으로, 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 구조의 광 검출 소자의 제조 방법은, 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계(s200)에서, 쉐도우 마스크를 이용하여 드레인 전극(210) 및 소스 전극(220)을 증착 시킬 수 있다. 이때, 드레인 전극(210) 및 소스 전극(220)은 도전성을 가지는 물질 또는 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어, 알류미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt), 니켈(Ni)등의 금속 및 그래핀, 은나노와이어필름, 금속그리드, ITO를 포함하는 투명 전극 혹은 이들의 조합으로 이루어진 것으로 구성될 수 있다.
이때, 드레인 전극(103) 및 소스 전극(104)은 열증기증착법 (Thermal evaporation), 전자빔증기증착법 (e-beam evaporation), 화학기상증착법, 플라즈마 여기 CVD(plasma enhanced CVD; PECVD), 저압 CVD(low pressure CVD; LPCVD), 물리기상증착법(physical vapor deposition; PVD), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착법(atomic layer deposition; ALD)등의 증착 방법에 의하여 형성될 수 있다.
이어서, 그래핀 채널층을 형성하는 단계(s300)에서, 드레인 전극(210) 및 소스 전극(220)이 전기적으로 연결되도록 그래핀 채널층(300)을 형성할 수 있다. 이때, 그래핀 채널층(300)은, 기상화학증기증착법(chemical vapor deposition, CVD)으로 그래핀을 성장시켜, 성장된 그래핀을 전사시키고 플라즈마 식각을 통하여 패터닝함으로써 형성할 수 있다. 또한 그래핀 채널층(300)은 단층, 이층 또는 다층으로 형성할 수 있으며, 그래핀을 기판(100)상에 직접 성장시켜 그래핀 채널층(300)을 형성할 수도 있다.
다음으로, 페로브스카이트 박막을 형성하는 단계(s400)에서 그래핀 채널층(300)과 Pi-Pi 결합을 이루는 물질을 페로브스카이트 물질을 그래핀 채널층(300) 상에 증착시켜 페로브스카이트 박막(400)을 형성시킬 수 있다. 이때, 페로브스카이트 박막(400)은 용액 상태의 페로브스카이트 물질을 드랍캐스팅(drap casting), 스핀코팅(spin coating), 스프레이코팅(spray coating), 바코팅(bar coating), 딥핑(dipping) 공정 등을 통하여 형성 될 수 있으며 이에 국한되지 않는다. 이때, 용액 상태의 페로브스카이트 물질은 일례로, 메틸암모늄납할로겐화합물(methylammonium lead halide)일 수 있으며 2-메톡시알코올(2-methoxyalchohol) 및 감마부틸알코올(gama buthylalchohol)과 같은 다양한 용매를 통하여 간단히 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 페로브스카이트 박막(400)은 그래핀 채널층을 형성하는 단계(s300)에서, 전사된 그래핀층(300)의 전면에 스핀코팅된 후, 그래핀 채널층(300)과 함께 패터닝 될 수 있다. 또는, 그래핀 채널층(300)의 패터닝 공정 후에 스핀코팅 공정을 통하여 형성될 수도 있으나 이에 제한된 것은 아니다. 용액 상태의 페로브스카이트 물질이 그래핀 채널층(300)상에 증착된 후, 페로브스카이트 물질은 열처리 공정을 통하여 결정화 될 수 있다. 일례로, 페로브스카이트 용액은 90도의 열처리 15분을 통해 결정화 될 수 있으며, 그래핀 채널층(300) 위에서 110 방향의 결정질을 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트가 코팅된 그래핀 채널층의 광학현미경(Optical microscope, OM)사진이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 박막과 페로브스카이트 박막의 흡수 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 구조와 광 발광 세기 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4a및 도 4b를 참조하면, 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 박막은 페로브스카이트 박막의 흡수 파장과 차이가 크지 않고, 780nm 이하의 파장 영역대에서 흡수가 시작되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 흡수가 일어나는 파장 영역에서 광 검출 특성이 나타날 것으로 예상할 수 있다.
페로브스카이트 물질에 밴드갭 이상의 에너지를 가진 빛이 주입되면, 페로브스카이트의 에너지 밴드는 전자와 정공이 분리되는 여기 상태가 된다. 이어서, 페로브스카이트의 에너지 밴드가 여기 상태에서 다시 바닥상태로 전환될 때, 광발광(photoluminescence, PL) 현상에 의하여 빛의 방출이 일어난다. 이때, 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 구조는 빛의 방출이 65%이상 감소하게 되며, 이는 페로브스카이트에서 여기된 정공이 그래핀으로부터 전달된 전자와 결합하여 바닥상태로 전환되는 전자-정공쌍의 양이 급격히 줄어드는 현상에서 기인한다. 이를 통해, 그래핀과 페로브스카이트 물질 사이의 전하전달 효율이 매우 높음을 알 수 있으며, 이러한 특성을 활용하여 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 구조의 광 검출 소자를 제작하는 것이 가능하다.
도 5a는 다양한 파장에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀-페로브스카이트 하이브리드 광 검출 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 파장에 따른 광 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 파장에 따른 광 응답 특성과 유효 양자 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5a내지 5c를 참조하면, 1mW의 광 세기를 가지는 광 소스의 입사 파장을 변화시키면서 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자에 조사시켰을때, 약780nm 이하에서, 광 검출 소자에 흐르는 광 전류(photocurrent)가 극대화되는 것을 확인 할 수 있다. 이는 앞서 상술한 도 4의 흡수 스펙트럼에 대응되는 결과이며, 페로브스카이트에서 여기된 정공이 그래핀으로부터 전달된 전자와 결합하는, 그래핀과 페로브스카이트 물질 사이의 전하 전달 메커니즘에서 기인한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출 소자는 높은 광 검출 효율을 가지며, 약 780nm이하의 파장에서, 1mA에 정도의 광 전류(photocurrent)가 발생하는 것을 관찰할 수 있다. 일반적으로 광 검출 소자의 광 반응 민감도를 나타내는 척도인 광 응답(photoresponsivity)이 입사하는 빛의 파워에 반비례하는 특성을 가짐에도 불구하고, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광검출 소자는1 mW의 매우 높은 광입사에서 1 A/W에 육박하는 높은 광 응답 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 6a는 다양한 빛의 세기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 게이트 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 6b은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6c은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 응답 특성과 유효 양자 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6a 내지 6c를 참조하면, 실제 가시광 영역의 중심 파장인520 nm에서, 광 전류의 세기는 입사되는 빛의 세기에 비례하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 1 uW의 매우 낮은 입사광의 세기에서도, 0.1mA의 높은 광 전류를 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자는 약, 180A/W의 광 응답(photoresponsivity, R) 값을 얻을 수 있다. 또한, 도 11에 도시된바와 같이, 광 검출 특성(D*)을 계산결과, 1pA레벨에서 106A/W에 달하는 높은 수치를 예상 할 수 있다.
도 7a는 다양한 빛의 세기에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 드레인 전압에 따른 드레인 전류를 나타내는 그래프이다.
도 7b는 다양한 드레인 전압에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 빛의 세기에 따른 광 응답 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7a및 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기는 10mV의 드레인 전압 및 0V 의 게이트 전압에도 R값이 1uW 기준1 A/W이상의 값을 나타내었다. 이러한 결과는 소자에 인가되는 구동 전압을 줄일 수 있음을 의미하며, 이를 통하여, 저전력의 구동 특성을 구현할 수 있음을 의미한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기는 이러한 저전력 특성을 이용하여, 미래 모바일 광 검출 센서에 응용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 시간 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자의 시간 응답 특성은, 빛을 입사시켰을 때 약100 ms안에 반응이 시작되고, 빛을 제거했을 때, 500 ms안에 초기 상태로 돌아오는 매우 빠른 구동 속도를 보여주고 있다. 따라서, 그래핀 트랜지스터 소자의 전하 이동도를 개선한다면, 본 발명의 일 실시예에 따른 페로브스카이트/그래핀 하이브리드 광 검출 소자는 미래 모바일 포토프레임(photo frame) 기록 소자로서 사용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 기판 110: 유전체층
120: 자가결합계면층 210: 드레인 전극
220: 소스 전극 300: 그래핀 채널층
400: 페로브스카이트 박막
120: 자가결합계면층 210: 드레인 전극
220: 소스 전극 300: 그래핀 채널층
400: 페로브스카이트 박막
Claims (6)
- 광 검출 소자에 있어서,
게이트 전극을 포함하고, 유전체층 및 자가결합계면층 (Self-Assembled Monolayer)이 형성된 기판,
상기 자가결합계면층의 상부에 서로 이격 되어 형성된 소스 전극 및 드레인 전극,
상기 자가결합계면층의 상부에 형성되며, 상기 소스 전극과 상기 드레인 전극을 연결하도록 형성된 그래핀 채널층 및,
상기 그래핀 채널층 상부에 형성된 페로브스카이트 박막을 포함하는 광 검출 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 페로브스카이트 박막은 메틸암모늄납할로겐화합물(methylammonium lead halide)로 이루어진 것인 광 검출 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 기판은 유리(glass), 석영(quartz), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 폴리에틸렌 프탈레이트(Polyethylene phthalate, PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethylene naphthalate, PEN), 및 폴리에틸렌이민(polyethylenimine, PEI) 중 어느 하나를 포함하는 광 검출 소자. - 광 검출 소자의 제조 방법에 있어서,
게이트 전극을 포함하는 기판에 유전체층 및 자가결합계면층(Self-Assembled Monolayer)을 형성하는 단계;
상기 자가결합계면층 상에 소스 전극 및 드레인 전극을 형성하는 단계;
상기 소스 전극 및 드레인 전극 상에 그래핀 채널층을 형성하는 단계; 및
상기 그래핀 채널층 상에 페로브스카이트 박막을 형성하는 단계를 포함하는 광 검출 소자의 제조 방법. - 제 4항에 있어서,
상기 페로브스카이트 박막을 형성하는 단계는 용액 상태의 페로브스카이트 물질 중 어느 하나를 드랍 캐스팅(drop casting), 스핀코팅(spin coating), 스프레이코팅(spray coating), 바코팅(bar coating), 또는 딥핑(dipping) 공정 중 어느 하나의 공정을 수행하는 것인 광 검출 소자의 제조 방법. - 제 5항에 있어서,
상기 페로브스카이트 박막은 메틸암모늄납할로겐화합물(methylammonium lead halide)로 이루어진 것인 광 검출 소자의 제조 방법.
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