KR101698820B1 - 직접 검출형 방사선 검출소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 기판과, 상기 기판 상에 배치되며, 단일층 또는 복수의 층의 2차원 반도체(2-dimension layered semiconductor)로 이루어진 방사선 감응형 반도체와, 상기 방사선 감응형 반도체 상에 배치된 제1 산화물 반도체막과, 상기 제1 산화물 반도체막 상에 배치되며, 금속 또는 준금속으로 이루어진 나노 구조체와, 상기 나노 구조체를 덮도록 상기 제1 산화물 반도체막 상에 배치된 제2 산화물 반도체막과, 상기 제2 산화물 반도체막 상에 배치된 제1 및 제2 전극을 포함하며, 상기 2차원 반도체는 MX2 화합물 반도체, CsCdInQ3 또는 그래핀(graphene)으로 이루어진 직접 검출형 방사선 검출소자를 제공한다. 여기서, M은 2족, 4족, 5족 및 6족 원소 중 적어도 하나이며, X는 S, Se 및 Te, 또는 할로겐 원소 중 적어도 하나이며, Q는 Se 및 Te 중 적어도 하나일 수 있다.
Description
본 발명은 직접 검출형 방사선 검출소자에 관한 것으로서, 특히, 초전도성과 함께 열전 특성을 가지며 초박형으로 구현가능한 올인원(all-in-one) 직접 검출형 방사선 검출 소자에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 방사선 검출 소자는 입사 방사선의 전리 작용에 의해서 검출 소자 내에서 전하(전자, 정공)가 생성되고, 양 전극간에 인가된 전계에 의해서 수집하여 입사 방사선을 신호로 검출할 수 있다.
이러한 반도체 방사선 검출 소자는 의료 영상 기기 및 비파괴 검사시 검출기 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 특히, 원자력 발전소의 내부, 동위원소 생산 시설과 같은 가혹한 방사선 조건 또는 극저온 우주방사선 환경 하에서 설치되어 사용될 수 있다.
기존의 전리 방사선(ionizing radiation) 검출을 위한 반도체소재 기반의 방사선검출소자는 주로 원자번호(Z)와 밀도가 높은 단결정소재를 이용하여 제작될 수 있다. 이러한 단결정 소재는 고순도 및 고품질의 벌크 단결정을 성장하기 어렵고, 희귀금속 사용 때문에 가격이 높은 단점을 가지고 있다.
또한, 반도체 소재의 전하이송특성(electronic transport)을 나타내는 중요변수인 μτ값이 기존의 최고품질의 방사선 검출소자용 단결정의 경우에, 10-3 (전자)또는 10-5~10-6(정공)으로서, 요구되는 10-2 수준에 아직 미치지 못한다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제 중 하나는, 초전도 및 열전 특성이 공존하는 이른바 "올인원(all-in-one)" 2차원 반도체 소재가 도입된 가혹한 방사선 또는 극저온 우주 방사선 환경 하에서도 사용가능한 직접 검출형 방사선 검출 소자 및 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면은, 기판과, 상기 기판 상에 배치되며, 단일층 또는 복수의 층의 2차원 반도체(2-dimension layered semiconductor)로 이루어진 방사선 감응형 반도체와, 상기 방사선 감응형 반도체 상에 배치된 제1 산화물 반도체막과, 상기 제1 산화물 반도체막 상에 배치되며, 금속 또는 준금속으로 이루어진 나노 구조체와, 상기 나노 구조체를 덮도록 상기 제1 산화물 반도체막 상에 배치된 제2 산화물 반도체막과, 상기 제2 산화물 반도체막 상에 배치된 제1 및 제2 전극을 포함하며, 상기 2차원 반도체는 MX2 화합물 반도체, CsCdInQ3 또는 그래핀(graphene)으로 이루어지며, 여기서, M은 2족, 4족, 5족 및 6족 원소 중 적어도 하나이며, X는 S, Se 및 Te 중 적어도 하나 또는 할로겐 원소 중 적어도 하나이고, Q는 Se 및 Te 중 적어도 하나인 직접 검출형 방사선 검출 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 직접 검출형 방사선 검출 소자 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 기판 상에 단일층 또는 복수의 층의 2차원 반도체로 이루어진 방사선 감응형 반도체를 형성하는 단계와, 상기 방사선 감응형 반도체 상에 제1 산화물 반도체막을 형성하는 단계와, 상기 제1 산화물 반도체막 상에 금속 또는 준금속으로 이루어진 나노 구조체를 형성하는 단계와, 상기 나노 구조체를 덮도록 상기 제1 산화물 반도체막 상에 제2 산화물 반도체막을 형성하는 단계와, 상기 제2 산화물 반도체막 상에 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 2차원 반도체를 이용하여 다양한 방사선에 특성화된 밴드갭 값을 갖는 방사선 검출소자를 제조할 때에 2차원 반도체를 이용함으로써, 우수한 전하수송특성을 가질 뿐만 아니라, 초전도, 열전 발전 및 고체상 냉각 특성을 갖는 이른바 "올인원(all-in-one)" 방사선 검출소자를 제조할 수 있ㅇ으며, 이는 가혹한 방사선 조건 및 극저온 우주방사선 환경에 유익하게 사용될 수 있는 극한 환경형 방사선 검출소자를 제공할 수 있다. 특히, 나노구조체를 2차원 반도체 상에 도입함으로써 플라즈몬 공명(plasmon resonance)를 일으켜 소재의 방사선 흡수 및 검출을 촉진시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출소자는 초박형으로 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 플렉서블 기판에 제조할 경우에 다양한 형상(예, 원기둥, 곡면)의 구조물에 설치될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출소자의 사시도이다.
도2는 도1에 도시된 방사선 검출소자의 측단면도이다.
도3a는 본 발명의 방사선 감응형 반도체로 채용가능한 2차원 MoS2 반도체의 구조를 나타내는 개략 사시도이다.
도3b는 본 발명의 방사선 감응형 반도체로 채용가능한 그래핀의 구조를 나타내는 개략 사시도이다.
도4는 방사선 감응형 반도체로서 2차원 반도체와 플라즈모닉 공명을 위한 나노 구조체의 결합 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도5a 내지 도5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출소자의 제조방법을 설명하기 위한 측면도이다.
도2는 도1에 도시된 방사선 검출소자의 측단면도이다.
도3a는 본 발명의 방사선 감응형 반도체로 채용가능한 2차원 MoS2 반도체의 구조를 나타내는 개략 사시도이다.
도3b는 본 발명의 방사선 감응형 반도체로 채용가능한 그래핀의 구조를 나타내는 개략 사시도이다.
도4는 방사선 감응형 반도체로서 2차원 반도체와 플라즈모닉 공명을 위한 나노 구조체의 결합 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도5a 내지 도5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출소자의 제조방법을 설명하기 위한 측면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다. 또한, 본 명세서에서, '상부', '상면', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출소자의 사시도이며, 도2는 도1에 도시된 방사선 검출소자의 측단면도이다.
도1 및 도2를 참조하면, 본 실시예에 따른 반도체 방사선 검출 소자(10)는, 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 배치된 방사선 감응형 반도체(12)를 포함한다.
본 실시예에 채용된 방사선 감응형 반도체(12)는 2차원 반도체(2-dimension layered semiconductor)를 포함한다. 상기 방사선 감응형 반도체(12)는 2차원 반도체의 단일층 또는 2 이상의 다층구조를 가질 수 있다.
상기 2차원 반도체는 조성식 MX2을 만족하는 칼코겐 화합물(chalcogenide) 반도체, CsCdInQ3 또는 그래핀(graphene)으로 이루어질 수 있다. 여기서, M은 2족, 4족, 5족 및 6족 원소 중 적어도 하나이며, X는 S, Se 및 Te 중 적어도 하나 또는 할로겐 원소 중 적어도 하나이고, Q는 Se 및 Te 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 2차원 칼코겐 화합물 반도체는 MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2 또는 SnSe2일 수 있다.
상기 2차원 반도체로 사용가능한 MoS2 반도체 또는 그래핀의 구조 모식도가 도3a 및 도3b에 도시되어 있다.
도3a을 참조하면, MoS2의 2층 구조가 도시되어 있다. 2층인 MoS2 결정이 수직적 방향으로 적층된 구조이며, 2층은 반데르발스(van der Waals) 상호작용에 의해 서로 일정한 거리(L)를 가질 수 있다. 단층 칼코겐화합물인 MoS2는 대략 1.8eV의 고유 밴드갭을 가지며, 홀 이동성(mobility)은 저온(100K)에서 300∼400㎠/Vs일 수 있다.
도3b에 도시된 바와 같이, "그래핀(graphene)"의 구조는 흑연과 유사하게 탄소(C)가 벌집모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면으로 배열된 단일층의 원자 구조로 이해될 수 있다. 주로 공유결합을 통해서 이루어진 탄소 동소체들은 4개의 최외각 전자들의 파동함수의 선형결합의 방식에 따라서 결정구조를 포함한 많은 물리적 성질을 가질 수 있다. 이러한 그래핀에서는 3개의 최외각 전자들의 선형결합만이 탄소 간의 강한 공유결합에 참여하여 앞에서 육각형 그물모양 평면을 형성하고, 여분의 최외각 전자의 파동함수는 평면에 수직인 형태로 존재할 수 있다.
즉, 평면에 평행하여 강한 공유결합에 참여하는 전자들의 상태로 σ-오비탈과, 평면에 수직한 전자의 상태로 π-오비탈을 가지며, 그래핀의 물리적 성질을 결정하는 페르미 준위 근처의 전자의 파동함수들은 π-오비탈들의 선형결합으로 이루어질 수 있다. 이러한 구조적 특징에 의해서, 그래핀의 밴드갭이 0이며, 매우 높은 이동성을 가질 수 있다.
이와 같이, 상기 2차원 반도체가 단일층인 경우에, 상기 2차원 반도체(12)의 에너지 밴드갭은 0(그래핀)∼3.4(CsInS2)eV 범위에서 다양하게 변경될 수 있다.
본 실시예에 채용되는 2차원 반도체는 양자역학적 관점에서 다양한 방사선에 특성화된 밴드갭 값을 설계할 수 있을 뿐만 아니라, 초전도 특성과 열전 특성을 동시에 갖는 복합적인 물성을 가질 수 있다. 이러한 복합적 물성을 갖는 2차원 반도체를 방사선 검출소자의 방사선 감응형 반도체로 채용됨으로써 다양한 장점을 제공할 수 있다.
우선, 2차원 반도체는 위상학적 절연체(topological insulator)로서 초전도 특성을 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에서, 방사선 감응형 반도체로 사용되는 2차원 반도체는 초전도 온도 이하에서 매우 우수한 전하수송특성(즉, μτ값)을 가질 수 있으며, 이는 극저온 우주환경과 같은 극한 환경에서도 유용하게 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 상기 2차원 반도체는 우수한 제백계수(seebeck coefficient)값을 가지는 열전(thermoelectric)소재로서, 열전 발전(thermoelectric power generation) 및 열전 고체상 냉각소자(thermoelectric solid-state refrigeration device)로 활용될 수 있다.
이와 같이, 2차원 반도체를 방사선 감응형 반도체(12)로 채용함으로써, 극저온에서 우수한 전하수송특성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 열전 발전 및 고체상 냉각 특성을 가지기 때문에, 이른바 올인원(all-in-one) 극한 환경용 방사선 검출소자로 유용하게 사용될 수 있다. 특히, 매우 얇은 박막을 이용하므로 초박형 소자로 구현가능하며, 다양한 형상(예, 원기둥, 곡면)의 구조물에 설치가능한 플렉서블 소자(flexible device)로 제조될 수도 있다.
도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 상기 방사선 검출소자(10)는 상기 방사선 감응형 반도체(12) 상에 배치된 산화물 반도체층(14)을 포함하며, 상기 산화물 반도체층(14)은 제1 산화물 반도체막(14a)과 제2 산화물 반도체막(14b)을 포함할 수 있다.
상기 나노 구조체(15)는 상기 제1 산화물 반도체막(14a) 상에 배치되며, 상기 제2 산화물 반도체막(14b)은 상기 나노 구조체(15)를 덮도록 상기 제1 산화물 반도체막(14a) 상에 배치될 수 있다.
상기 제1 산화물 반도체막(14a)은 와이드 밴드갭을 갖는 산화물 반도체일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 산화물 반도체막(14a)은 In2O3, SnO2, ZnO, CdO, IGZO 및 IZO로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 이러한 제1 산화물 반도체막(14a)은 불순물 도핑을 통해 도전성(n형 또는 p형)을 강화하거나 보상 도핑(compensation doping)을 통해 도전성을 약화함으로써 박막의 전기특성(비저항, 일함수)를 제어할 수 있다. 상기 제2 산화물 반도체막(14b)은 상기 제1 산화물 반도체막(14a)과 동일한 물질일 수 있다.
본 실시예에 따른 방사선 검출소자(10)에서, 상기 산화물 반도체층(14), 특히 제1 산화물 박막(14a)은 크게 2가지 역할을 할 수 있다.
우선, 상기 제1 산화물 박막(14a)은 금속/준금속인 나노 구조체(15)와 2차원 반도체층(12)이 직접 접촉하여 금속/준금속-반도체 계면에서 원하지 않는 재결합(recombination)이 발생하는 것을 억제시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 산화물 박막(14a)의 두께(t)를 제어하여 그 상부에 형성될 금속/준금속인 나노 구조체(15)와 2차원 반도체(12) 사이의 플라즈모닉 결합(plasmonic coupling)을 제어할 수 있다. 이에 한정되지는 않으나, 상기 제1 산화물 박막(14a)의 두께(t)는 1∼50 ㎚ 범위에서 제어될 수 있다.
상기 나노 구조체(15)는, 다양한 형상의 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 입자(nanodot), 나노 와이어(nanowire), 나노 기둥(nanorod), 나노 섬유(nanofiber) 및 2,3차원 나노 패턴 중 어느 하나의 구조일 수 있다. 상기 나노 구조체(15)는 이에 한정되지는 않으나, 500㎚ 이하의 크기(또는 직경)를 가질 수 있다.
상기 나노 구조체(15)는 금속 또는 준금속으로 이루어질 수 있다. 이러한 나노 구조체(15)로는, B, Al, Ca, Sc, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, Se, Sr, Ru, Rh, Pd, Ag, Te, Ba, Lu, Ta, Ir, Pt, Au, Tl 및 Pb로부터 선택된 금속이나, 이를 포함한 합금이 사용될 수 있다. 준금속의 경우에는, 높은 전하 농도의 ITO, AZO, FTO, TNO, IGZO, IZO 산화물 또는 TiN, TaN같은 질화물이 사용될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 실시예에서는, 상기 산화물 반도체층(14) 내에 상기 나노 구조체(15)가 배치됨으로써, 플라즈몬 공명(plasmon resonance)효과를 제어할 수 있으며, 이러한 플라즈몬 공명 효과를 통해서 방사선 검출소자(10)의 검출기능을 강화시킬 수 있다.
구체적으로 설명하면, 플라즈모닉 공명에 의해 나노 구조체(15) 주위에 플라즈모닉 입자에 의한 필드(PE)가 형성되는데, 이러한 플라즈모닉 필드(PE)는 이미 알려진 바와 같이 가시광, 적외선, 자외선과 상호 작용할 뿐만 아니라, X선과 같은 고에너지 포톤(즉, 방사선)과도 상호 작용한다는 것이 최근에 알려졌다. 이러한 상호작용으로 인해, 도4에 도시된 바와 같이, 첫째, 얇은 박막인 2차원 반도체(12)로 입사되는 방사선(Ra)을 굴절/산란시켜, 방사선(Ra)을 더욱 긴 경로를 통해 2차원 반도체(12)를 투과하게 함으로써 2차원 구조로 인한 낮은 흡수율을 보강할 수 있으며, 둘째, 필드 증폭(field enhancement) 효과에 의해 방사선 흡수 효율을 증대시킨다.
상기 방사선 검출소자(10)는 상기 제2 산화물 반도체막(14b) 상에 배치된 제1 및 제2 전극(19a,19b)을 포함할 수 있다. 상기 제2 산화물 박막층(14b) 상에 절연성 물질로 이루어진 고립층(17)이 배치되어 상기 제1 및 제2 전극(19a,19b)이 전기적으로 분리시킬 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극(19a,19b)은 오믹전극과 본딩메탈을 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 2차원 반도체(12)를 이용하여 다양한 방사선에 특성화된 밴드갭 값을 갖는 방사선 검출소자(10)를 제조함으로써, 우수한 전하수송특성을 가질 뿐만 아니라, 초전도 열전 발전 및 고체상 냉각 특성을 갖는 올인원 방사선 검출소자(10)를 제공할 수 있다. 또한, 나노 구조체(15)를 2차원 반도체(12) 상에 도입함으로써 플라즈몬 공명을 일으켜 2차원 반도체(12)에서의 방사선 흡수율을 높여 검출성능을 개선할 수 있다. 이러한 방사선 검출 소자(10)는 가혹한 방사선 조건 및 극저온 우주방사선 환경에 유익하게 사용될 수 있다. 특히, 초박형으로 구현할 수 있으며, 나아가 플렉서블 소자로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 직접 검출형 방사선 검출 소자 제조방법을 제공할 수 있다.
도5a 내지 도5d는 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 검출소자의 제조방법을 설명하기 위한 측면도이다.
도5a에 도시된 바와 같이, 기판(11) 상에 2차원 반도체로 이루어진 방사선 감응형 반도체(12)를 형성할 수 있다.
상기 기판(11)은 Si 또는 SiC 기판과 같은 공지된 성장용 반도체 기판일 수 있으나, 필요에 따라 플렉서블 기능을 보장할 수 있는 알루미늄박(Al foil), 동박(Cu foil) 기판을 사용할 수 있다. 상기 2차원 반도체(12)는 단일층 또는 복수의 층일 수 있다. 상기 2차원 반도체(12)는 MX2 화합물 반도체, CsCdInQ3 또는 그래핀으로 이루어지며, 여기서, M은 2족, 4족, 5족 및 6족 원소 중 적어도 하나이며, X는 S, Se 및 Te, 또는 할로겐 원소 중 적어도 하나이며, Q는 Se 및 Te 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 2차원 반도체(12)는 화학적 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD), MBE(molecular beam epitaxy)과 같은 박막 증착공정으로 직접 형성될 수 있으나, 이와 달리, 다른 기판에서 기합성된 2차원 반도체(12) 물질을 박리 전사(exfoliation transfer)와 같은 공정을 이용하여 상기 기판(11)의 원하는 영역에 전사시킬 수 있다.
도5b에 도시된 바와 같이, 상기 방사선 감응형 반도체(12) 상에 제1 산화물 반도체막(14a)을 형성할 수 있다.
상기 제1 산화물 박막(14a)은 와이드 밴드갭을 갖는 산화물 반도체일 수 있으며, 예를 들어, In2O3, SnO2, ZnO, CdO, ZTO, IGZO 또는 IZO일 수 있다. 상기 제1 산화물 박막(14a)은 1∼50㎚의 두께로 성장될 수 있다. 상기 제1 산화물 박막(14a)은 스퍼터링, 이빔증착, 열증착, 펄스레이져증착(PLD)등의 물리적 기상 증착법(PVD), 원자층 증착, MBE와 같은 화학적 기상 증착법(CVD), 졸겔 코팅(sol-gel coating) 등의 용액공정 등의 다양한 박막 증착공정으로 성장될 수 있다. 상기 제1 산화물 박막(12)의 전기특성을 제어하기 위해서, 불순물 도핑을 통해 도전성을 강화하거나 보상 도핑을 통해 도전성을 약화시킬 수 있다.
도5c에 도시된 바와 같이, 상기 제1 산화물 반도체막(14a) 상에 나노 구조체(15)를 형성할 수 있다.
플라즈몬 공명효과를 얻기 위해서, 상기 나노 구조체(15)는 금속 또는 준금속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 구조체(15)는 B, Al, Ca, Sc, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, Se, Sr, Ru, Rh, Pd, Ag, Te, Ba, Lu, Ta, Ir, Pt, Au, Tl 및 Pb로부터 선택된 금속이나, 이를 포함한 합금이 사용될 수 있으며, 준금속의 경우 높은 전하 농도의 ITO, AZO, FTO, TNO, IGZO, IZO 산화물 또는 TiN, TaN같은 질화물이 사용될 수 있다.
상기 나노 구조체(15)는 다양한 형상의 구조를 가질 수 있으며, 원하는 형상에 따라 다른 공정이 적용될 수 있다.
본 실시예와 같이, 0차원 구조체(즉, 나노 도트)인 경우에, 나노 구조체(15)의 구성 물질을 수 ㎚두께로 박막을 증착한 후 에너지를 표면에 인가하는 후처리(예, 열처리)를 통하여 형성할 수 있다. 다른 예에서는, 박막 성장을 핵성장(nucleation) 후에 응집이 일어나기 전에 중단함으로써 원하는 나노 구조체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 유효 두께가 10㎚ 이하로 박막을 성장시킬 경우에 원하는 나노 구조체(15)를 얻을 수 있다.
이와 달리, 1차원 구조체(예, 나노 와이어, 나노 기둥, 나노 파이버)의 경우에, 전기방사(electrospinning), 수열(hydrothermal)합성, AAO(anodized aluminum oxide) 틀(template)을 이용한 방법과 같은 공정을 이용하여 합성한 후에, 스프레이 코팅(spray-coating), 스핀 코팅(spin-coating)과 같은 공정을 이용하여 제1 산화물 반도체 박막(14a) 상에 형성할 수 있다. 또한, 금속/준금속인 나노 구조체(15)는 광-리소그래피(photolithography), 나노 임프린팅(nano-imprinting), 레이저 홀로그래픽/간섭 리소그래피(laser holographic/interference lithography) 등의 다양한 반도체 공정을 통해 2, 3차원적인 주기/비주적인 배열로 형성될 수도 있다. 필요에 따라, 나노 구조체(15)에 의한 플라즈몬 효과는 나노 구조체(15)의 크기와 밀도, 나노 구조체(15)를 구성하는 물질, 나노 구조체(15)를 둘러싸는 산화물박막(14)의 굴절률을 변경하여 제어할 수 있다.
도5d에 도시된 바와 같이, 상기 나노 구조체(15)를 덮도록 상기 제1 산화물 반도체막(14a) 상에 제2 산화물 반도체막(14b)을 형성할 수 있다.
상기 제2 산화물 반도체막(14b)은 상기 제1 산화물 박막(14a)과 동일한 물질(예: ITO/Ag/ITO)이거나 또는 다른 물질(ZnO/Ag/ITO)일 수 있으며, 와이드 밴드갭을 갖는 산화물 반도체일 수 있다. 예를 들어, In2O3, SnO2, ZnO, CdO, ZTO, IGZO 및 IZO일 수 있다. 상기 제2 산화물 박막(14b)은 상기 제1 산화물 박막(14a)과 유사하게, 스퍼터링, 이빔증착, 열증착, 펄스레이져증착(PLD)등의 물리적 기상 증착법(PVD), 원자층 증착, MBE와 같은 화학적 기상 증착법(CVD), 졸겔코팅 등의 용액공정 등의 다양한 박막 증착공정으로 성장될 수 있다.
후속 공정을 통해서 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 고립층(17)과 제1 및 제2 전극(19a,19b)을 형성함으로써 원하는 방사선 검출소자를 제조할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
10: 반도체 방사선 검출소자
12: 방사선 감응형 반도체(2차원 반도체층)
14: 산화물 박막
14a,14b:제1 및 제2 산화물 박막
15: 나노 구조체
17: 고립층
19a,19b: 제1 및 제2 전극
12: 방사선 감응형 반도체(2차원 반도체층)
14: 산화물 박막
14a,14b:제1 및 제2 산화물 박막
15: 나노 구조체
17: 고립층
19a,19b: 제1 및 제2 전극
Claims (12)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되며, 단일층 또는 복수의 층의 2차원 반도체(2-dimension layered semiconductor)로 이루어진 방사선 감응형 반도체;
상기 방사선 감응형 반도체 상에 배치된 제1 산화물 반도체막;
상기 제1 산화물 반도체막 상에 배치되며, 상기 방사선 감응형 반도체에 입사되는 방사선의 경로가 변경되도록 플라즈몬 필드를 발생시키며, 금속 또는 준금속으로 이루어지고 500㎚ 이하의 크기를 갖는 나노 구조체;
상기 나노 구조체를 덮도록 상기 제1 산화물 반도체막 상에 배치된 제2 산화물 반도체막; 및
상기 제2 산화물 반도체막 상에 배치된 제1 및 제2 전극을 포함하며,
상기 2차원 반도체는 MX2 화합물 반도체, CsCdInQ3 또는 그래핀(graphene)으로 이루어지며, 여기서, M은 2족, 4족, 5족 및 6족 원소 중 적어도 하나이며, X는 S, Se 및 Te, 또는 할로겐 원소 중 적어도 하나이며, Q는 Se 및 Te 중 적어도 하나인 직접 검출형 방사선 검출 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 2차원 반도체는 3.4 eV 이하의 밴드갭을 갖는 것을 특징으로 하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 제2항에 있어서,
상기 2차원 반도체는 MX2 화합물 반도체이며,
상기 MX2 화합물 반도체는 MoS2, MoSe2, WSe2, MoTe2 및 SnSe2로 구성된 그룹으로부터 선택된 화합물 반도체인 것을 특징으로 하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 산화물 박막 중 적어도 하나는 In2O3, SnO2, ZnO, CdO, ZTO, IGZO 및 IZO로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 산화물 반도체를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 산화물 박막은 1∼50㎚의 두께인 것을 특징으로 하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 산화물 박막은 상기 제1 산화물 박막의 물질과 동일한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 나노 구조체는, 나노 입자, 나노 와이어, 나노 기둥, 나노 섬유 및 2차원 또는 3차원 나노 패턴 중 어느 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 나노 구조체는 B, Al, Ca, Sc, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Ge, Se, Sr, Ru, Rh, Pd, Ag, Te, Ba, Lu, Ta, Ir, Pt, Au, Tl 및 Pb로부터 선택된 적어도 하나의 금속이나, 이를 포함한 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 나노 구조체는 ITO, AZO, FTO, TNO, IGZO, IZO, TiN 및 TaN로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 준금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극이 전기적으로 분리되도록 상기 제2 산화물 박막층 상에 배치된 고립층을 더 포함하는 직접 검출형 방사선 검출소자.
- 기판 상에 단일층 또는 복수의 층의 2차원 반도체로 이루어진 방사선 감응형 반도체를 형성하는 단계;
상기 방사선 감응형 반도체 상에 제1 산화물 반도체막을 형성하는 단계;
상기 제1 산화물 반도체막 상에 상기 방사선 감응형 반도체에 입사되는 방사선의 경로가 변경되도록 플라즈몬 필드를 발생시키기 위해서, 금속 또는 준금속으로 이루어지며 500㎚ 이하의 크기를 갖는 나노 구조체를 형성하는 단계;
상기 나노 구조체를 덮도록 상기 제1 산화물 반도체막 상에 제2 산화물 반도체막을 형성하는 단계; 및
상기 제2 산화물 반도체막 상에 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 2차원 반도체는 MX2 화합물 반도체, CsCdInQ3 또는 그래핀으로 이루어지며, 여기서, M은 2족, 4족, 5족 및 6족 원소 중 적어도 하나이며, X는 S, Se 및 Te, 또는 할로겐 원소 중 적어도 하나이며, Q는 Se 및 Te 중 적어도 하나인 직접 검출형 방사선 검출 소자 제조방법.
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