KR101720308B1 - 금속나노 입자를 이용하는 고투명 다파장 센서 및 형성 방법 - Google Patents

금속나노 입자를 이용하는 고투명 다파장 센서 및 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속나노 입자를 이용하는 고투명 다파장 센서 및 형성 방법에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 고투명 다파장 센서는 밴드갭이 제1 임계값 이상이고, 다파장의 광을 미리 지정된 비율 이상 투과시키는 투명 반도체, 및 상기 투명 반도체의 일측에 형성되고, 밴드갭이 제2 임계값 이하인 금속나노 입자를 포함하고, 상기 금속나노 입자는 상기 다파장의 광을 흡수하여 전기신호로 변환한다.

Description

금속나노 입자를 이용하는 고투명 다파장 센서 및 형성 방법{HIGHLY TRANSPARENT VISIBLE-LIGHT PHOTODETECTOR AND MANUFACTURING METHOD TO FABRICATE HIGHLY TRANSPARENT VISIBLE-LIGHT PHOTODETECTOR USING NANOPARTICLES}
밴드갭이 큰 투명 반도체 소재와, 다파장에서 광을 흡수할 금속나노 입자 소재의 융합으로 새로운 개념의 고투명 다파장 센서를 제공하는 기술에 연관된다.
최근 투명 및 유연 전자소자가 각광받음에 따라, 이를 활용한 다양한 웨어러블 스마트 전자소자 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 특히, 다양한 파장대의 빛을 흡수하여 전기신호로 변환하는 광센서가 개발되고 있다. 기존의 광센서는 밴드갭이 작은 실리콘을 활용하였기 때문에, 불투명한 특성이 있다.
한편, 근래에는 투명전자소자의 중요성이 대두되고 있어, 투명 광센서 개발이 요구된다. 그러나 이러한 요구에도 불구하고, 투명한 반도체 소재는 밴드갭이 커서 다파장의 광을 흡수할 수 없는 한계가 있다.
또한, 광 센서로 주로 사용되는 실리콘의 경우 밴드갭이 고정되어 있어, 흡수하는 빛의 파장을 구별하기 위해서는 아래 그림과 같이 추가적인 컬러 필터가 필요하고, 작은 밴드갭으로 인하여 투명한 광센서를 제작하기 어려운 문제가 있다.
대한민국 특허등록공보 제10-1428913호
밴드갭이 작고, 제어가 가능한 금속나노 입자 소재를 광흡수 소재로 활용하는 기술이 제시된다.
밴드갭이 큰 투명 반도체 소재와, 다파장의 광을 흡수할 금속나노 입자 소재의 융합으로 새로운 개념의 고투명 다파장 센서가 제시된다.
본 발명의 실시예에 따른 고투명 다파장 센서는 임계값 이상의 밴드갭을 갖고, 다파장의 광을 미리 지정된 비율 이상 투과시키는 투명 반도체 및 상기 투명 반도체의 일측에 형성되고, 플라즈몬 광흡수를 수행하는 금속나노 입자를 포함하고, 상기 금속나노 입자는 가시광을 포함하는 광대역 플라즈몬 광을 흡수하여 전기신호로 변환하며, 상기 금속나노 입자는 광트랜지스터의 액티브 채널 영역에 형성되고, 상기 투명 반도체와 게이트 인슐레이터 사이에서 20nm이내의 상기 액티브 채널 영역에 분포하는 전하수송층이고, 상기 투명 반도체는 그래핀(Graphene) 및 이황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나를 포함하는 2차원 나노소재를 포함한다.
여기서, 상기 투명 반도체는, 상기 변환된 전기신호의 전하 수송층일 수 있다.
여기서, 상기 투명 반도체는, 산화물 반도체 소재를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 밴드갭이 작고, 제어가 가능한 금속나노 입자 소재를 광흡수 소재로 활용할 수 있다.
실시예들에 따르면, 밴드갭이 큰 투명 반도체 소재와, 가시광을 흡수할 금속나노 입자 소재의 융합으로 새로운 개념의 고투명 다파장 센서를 개발할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 고투명 다파장 센서를 설명하는 도면이다.
도 2는 와이드 밴드 갭 산화물 TFT의 장치 특성을 나타낸다.
도 3a는 IGZO 활성층의 두께 변화에 따라 서로 다른 레이저 파장을 나타내는 도면이다.
도 3b는 도 3a의 실시예에 따른 광원의 파장 대비 응답성 및 EQE를 나타내는 그래프이다.
도 4a는 광원의 파장에 따른 흡수율을 도시하는 그래프이다.
도 4b는 균일하게 소스 및 드레인 전극 사이의 IGZO 채널 영역에 분포된 금속나노 입자의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지를 나타낸다.
도 5a는 금속나노 입자가 광트랜지스터의 액티브 채널 영역에 분포하는 센서와 특성을 나타내는 도면이다.
도 5b는 도 5a의 실시예에 따른 광원의 파장 대비 응답성 및 EQE를 나타내는 그래프이다.
도 6은 액티브 채널 영역에서의 광흡수로 인해 전기신호가 생성되는 구조를 도시하는 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 다른 일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예들에 의해 권리범위가 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일실시예에 따른 고투명 다파장 센서(100)를 설명하는 도면이다.
일실시예에 따른 고투명 다파장 센서(100)는 밴드갭이 작고, 제어가 가능한 금속나노 입자 소재를 광 흡수 소재로 활용하여 구현될 수 있다.
금속입자가 나노미터의 크기로 작아지면 기존의 금속 소재에서 발견되지 않던 여러 가지 물성이 나타날 수 있고, 이러한 물성으로 인해 전기전자 분야는 물론 고강도 기계부품, 촉매, 의학, 생명공학, 광학 등의 산업 분야에 다양하게 활용될 수 있다. 금속나노 입자는 나타나는 여러 가지 물성 중에서도 특히 광대역의 광 흡수가 가능한데, 이러한 특성을 고려하여 고투명 다파장 센서(100)에서 광 흡수 소재로 활용할 수 있다.
즉, 고투명 다파장 센서(100)는 밴드갭이 큰 투명 반도체 소재와, 가시광을 흡수할 금속나노 입자 소재를 융합하는 새로운 개념의 센서이다. 이는 투명하면 다파장의 광을 흡수할 수 없는 기존의 자연원리를 개선하는 것이다.
일실시예에 따른 고투명 다파장 센서(100)는 큰 밴드갭을 갖는 투명반도체 소재와 작은 밴드갭을 갖는 금속나노 입자 소재의 융합을 통해, 투명하면서도 다파장의 광을 흡수할 수 있다.
이를 위해, 일실시예에 따른 고투명 다파장 센서(100)는 임계값 이상의 밴드갭을 갖고, 다파장의 광을 미리 지정된 비율 이상 투과시키는 투명 반도체(110)와, 투명 반도체(110)의 일측에 형성되고, 플라즈몬 광흡수를 수행하는 금속나노 입자(120)를 포함할 수 있다. 이때의 금속나노 입자(120)는 다파장의 광을 흡수하여 전기신호로 변환할 수 있고, 입자의 크기를 활용하여 상기 다파장의 광의 풀컬러(full color)를 각각의 전기신호로 변환 시키는 전하 수송층을 포함할 수 있다.
투명 반도체(110)는 변환된 전기신호의 전하 수송층으로 동작할 수 있다. 또한, 투명 반도체(110)는 그래핀(Graphene) 및 이황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나를 포함하는 2차원 나노소재를 포함한다.
즉, 일실시예에 따른 고투명 다파장 센서(100)는 넓은 대역폭의 IGZO 필름이 투명 반도체 채널로서 사용되는 반면, 금속나노 입자들이 가시광을 흡수하여 전기 신호로 변환하는 특성을 이용한다.
전형적인 IGZO 박막 트랜지스터(TFT)는 가시광선 채색의 광전류를 나타내지 않는데 반해, 금속나노 입자들을 포함하는 IGZO TFT들은 가시광(visible light)에 노출되는 경우 광전류(photocurrent)가 강화될 수 있다.
결국, 고투명 다파장 센서(100)는 다파장의 광을 투과시키는 투명 반도체 소재와 다파장의 광을 흡수할 수 있는 금속나노 입자를 융합한다는 점에서 신규하고, 투명하면 다파장의 광을 흡수할 수 없는 기존의 자연원리를 개선한다는 점에 있어서 진보한 기술이다.
이하에서는 고투명 다파장 센서(100)를 구현하기 위한 구체적인 실시예를 설명한다.
도 2는 와이드 밴드 갭 산화물 TFT의 장치의 특성을 나타낸다.
도면부호 210와 같이, 보텀 게이트 구조의 TFT를 제조하기 위해, 알루미늄 소스 - 드레인 전극의 SiO2 / Si 기판 상에 10 nm 두께의 IGZO 막을 증착 할 수 있다. 이때의 IGZO는 인듐 갈륨 및 산화 아연 등의 산화물 반도체로 해석될 수 있다.
그래프에서는 405nm 레이저 노출 유무에 따른 IGZO TFT들의 전달 곡선을 나타내는데, 전달 곡선에 따르면 드레인 전류(ID)의 증가가 10V의 게이트 전압(VD)에서 명확하게 관찰된다.
따라서, 고 에너지 광자인 405 nm의 레이저는 넓은 밴드 갭 IGZO TFT들에 충분한 광전류를 유도할 수 있다.
도 3a는 IGZO 활성층의 두께 변화에 따라 서로 다른 레이저 파장을 나타내는 도면이다.
도면부호 310에서 보는 바와 같이, IGZO의 두께가 감소함에 따라 응답성 및 EQE가 증가한다.
도 3a의 도면부호 310에서 보는 바와 같이, IGZO 활성층의 두께 변화에 따라 레이저 파장(405nm)에서의 응답성(Responsivity) 및 EQE가 나타나고, 응답성(Responsivity) 및 EQE의 평가는 아래 수학식 1 및 수학식 2에 의해 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016126677505-pat00001
[수학식 2]
Figure 112016126677505-pat00002
수학식 1 및 수학식 2에서, Itotal은 총 광전류이고, Idark는 암전류(dark current)이며, P는 입사 레이저 파워이고, Apt는 채널 폭 및 두께의 곱이며, Apd는 레이저 광원의 스팟 크기, Jph은 광전류 밀도이고, P는 입사 레이저 파워 밀도이다.
도면부호 310에서 관찰되는 바와 같이, 다양한 두께의 IGZO를 가진 센서의 응답성과 EQE 모두 532 nm의 레이저 조사 후 무시할 수 있는 정도이다. 한편, 405 nm의 레이저에 대한 응답성 및 EQE은 IGZO의 두께 감소에 따라 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, IGZO TFT들은 넓은 밴드 갭에 의해 고 에너지 광자 405 nm의 레이저 소스와 광전류를 유도 할 수 있다.
다양한 두께의 IGZO는 30nm 이하의 두께일 때 EQE가 현저하게 증가한다.
도 3b는 도 3a의 실시예에 따른 광원의 파장 대비 응답성 및 EQE를 나타내는 그래프이다.
도면부호 320에서 보는 바와 같이, 가시광 하에서도 광원의 파장이 감소함에 따라 응답성 및 EQE가 증가한다. 이는 작은 밴드 갭의 CdSe 금속나노 입자로 인해 가시광이 센서의 광전류로 유도되는 것으로 확인된다. 즉, 금속나노 입자와 IGZO 모두 광전류 증가 광자를 흡수하기 때문에 높은 광자 에너지 영역에서는 반응성과 EQE 값이 증가할 수 있다.
도 4a는 광원의 파장에 따른 흡수율을 도시하는 그래프이다.
도 4a에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 고투명 다파장 센서는 대략 400nm의 대역에서 600nm의 대역까지 광대역에서 상당한 양의 광 흡수가 이뤄지고, 500nm에서 최대의 흡수율을 갖는다.
도 4b는 균일하게 소스 및 드레인 전극 사이의 IGZO 채널 영역에 분포된 금속나노 입자의 SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지(420)를 나타낸다.
도면부호 420에서 보는 바와 같이, 금속나노 입자는 전형적인 n 형 TFT의 동작을 보일 수 있고, ID 의 증가가 가시광의 노출에 따라 명확하게 관찰 될 수 있다. 532 nm의 레이저 소스 여부에 따라 금속나노 입자와 IGZO TFT들의 출력 및 전송 특성을 살펴보면, IGZO의 두께 변화에 따라, 금속나노 입자가 IGZO TFT의 채널 영역에서 서로 다른 거리에 위치함을 알 수 있다.
구체적으로, 도면부호 420에서 보는 바와 같이, 금속나노 입자는 전형적인 n 형 TFT의 동작을 보일 수 있고, ID 의 증가가 가시광 (l = 635 ㎚)의 노출에 따라 명확하게 관찰될 수 있다. 도 4b는 532 nm의 레이저 소스 여부에 따라 금속나노 입자와 IGZO TFT들의 출력 및 전송 특성을 요약하는 것으로서, IGZO의 두께 변화에 따라, 금속나노 입자가 IGZO TFT의 채널 영역에서 서로 다른 거리에 위치함을 나타낸다.
도 5a는 금속나노 입자가 광트랜지스터의 액티브 채널 영역에 분포하는 센서와 특성을 나타내는 도면이다.
금속나노 입자는 광트랜지스터의 액티브 채널 영역에 분포하는 전하 수송층을 포함할 수 있다. 특히, 금속나노 입자는 투명 반도체와 게이트 인슐레이터 사이의 인터페이스에 위치하는 상기 액티브 채널 영역에 분포하는 전하 수송층을 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 5a에서와 같이 가시광의 응답성을 높이기 위해 금속나노 입자를 IGZO의 표면에 스핀-코팅할 수 있다. 이때의 금속나노 입자의 밴드 갭은 가시 광선을 흡수하기에 충분히 작도록 1.83 eV일 수 있다.
일례로, 금속나노 입자는 IGZO와의 SiO2 사이의 인터페이스에 삽입될 수 있다. 즉, 광대역의 광전류를 향상시키기 위해, 금속나노 입자는 10 nm 두께의 SiO2와 IGZO의 사이에 삽입될 수도 있다.
도 5b의 도 5a의 실시예에 따른 도면부호 520에서 보는 바와 같이, 가시광 하에서도 광원의 파장이 감소함에 따라 응답성 및 EQE가 증가한다. 특히 635nm에서 응답성과 EQE가 현저하게 증가하는 것으로 확인된다.
도 6은 액티브 채널 영역에서의 광흡수로 인해 전기신호가 생성되는 구조를 도시하는 도면이다.
도면부호 600에서 보는 바와 같이, 액티브 채널 영역(610)에 가시광이 조사되면, 액티브 채널 영역(610)의 Ag에서 방출된 전자들에 의해 전기신호가 생성된다.
도 7은 일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법은 기판상에 산화물 반도체 소재를 증착 시킬 수 있다(단계 701).
예를 들어, 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법은 포토 리소그래피 공정 및 열 증발기를 통해 산화물 반도체 소재(산화물 TFT)를 제조할 수 있다.
구체적으로, 투명 광 트랜지스터를 형성하기 위해서는 깨끗한 SiO2 (100 nm)/Si 기판 상에 IGZO 필름을 증착 시킬 수 있다. 이 때, IGZO 필름을 증착시키기 위해 In2O3:Ga2O3:ZnO = 1:1:1의 비율을 갖는 싱글 타겟의 radio-frequency(RF) sputtering system을 활용할 수 있다. 또한, 효율적인 IGZO 필름을 증착을 위해 일정 크기의 전력을 유지하여 적절한 진공상태를 유지할 수 있다.
IGZO 막은 캐리어 집중을 제어하기 위해 미리 지정된 시간 동안 일정 온도의 공기 중에 노출시켜 post-annealed을 수행할 수 있다.
다음으로, 일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법은, 증착된 산화물 반도체 소재 상에 알루미늄의 소스 및 드레인 전극을 형성할 수 있다(단계 702).
일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법은, 알루미늄 100 nm을 증착된 산화물 반도체 소재 상에 소스 및 드레인 전극으로 형성 하였다.
또한, 일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법은, 완충 산화물 에칭(BOE, Buffered Oxide Echant)의 액티브 채널 영역을 정의하고 기판의 일부 산화물 반도체 소재를 분리하여 액티브 채널 영역을 생성한다.
일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법은 산화물 반도체 소재의 표면 중 상기 소스 및 드레인 전극에 의해 형성되는 액티브 채널 상에 금속나노 입자를 코팅할 수 있다(703).
생성된 액티브 채널과 관련하여, IGZO 박막 트랜지스터는 25 mm의 채널 길이와 하부 게이트 구조 (200) mm의 폭으로 형성될 수 있다.
금속나노 입자로는 콜로이드 카드뮴 셀레 나이드(Colloidal cadmium selenide, CdSe)가 사용될 수 있고, 일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법은 금속나노 입자 코팅을 위해 액티브 채널 영역 상에 일정시간 동안 일정 온도에서 어닐링할 수 있다.
이후, 일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법은 가교 공정(cross-linking process)에서 메탄올 용액으로의 침지 과정(dipped process)과, 알코올 세정 후 건조를 통해 금속나노 입자가 코팅된 투명 광 트랜지스터를 형성할 수 있다.
도 8은 다른 일실시예에 따른 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 Al2O3과 IGZO의 인터페이스에서 금속나노 입자를 형성할 수 있다.
이를 위해, 투명 광 트랜지스터를 형성하는 방법에 따르면 우선, 기판상에 금속나노 입자를 코팅한다(801).
또한, 코팅된 금속나노 입자 상에 산화물 반도체 소재를 증착하고(802), 증착된 산화물 반도체 소재 상에 알루미늄의 소스 및 드레인 전극을 형성할 수 있다(803).
이때, 기판과 산화물 반도체 소재의 사이가 액티브 채널이 될 수 있고, 금속나노 입자가 기판 상에 스핀-코팅 방식으로 증착될 수 있다.
결국, 본 발명을 이용하면 제어가 가능한 금속나노 입자 소재를 광흡수 소재로 활용할 수 있고, 밴드갭이 큰 투명 반도체 소재와, 가시광을 흡수할 금속나노 입자 소재의 융합으로 새로운 개념의 고투명 다파장 센서를 제공할 수 있다.
본 발명은 투명 전자소자를 사용하는 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 특히, 스마트 글래스용 광센서, 풀컬러 CCD의 투명한 전자소자, 스마트 윈도우용 투명센서, 자동차용 투명센서, 웨어러블 전자소자용 투명센서, 로봇/드론 기술 등에 활용될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 임계값 이상의 밴드갭을 갖고, 다파장의 광을 미리 지정된 비율 이상 투과시키는 투명 반도체; 및
    상기 투명 반도체의 일측에 형성되고, 플라즈몬 광흡수를 수행하는 금속나노 입자를 포함하고,
    상기 금속나노 입자는 가시광을 포함하는 광대역 플라즈몬 광을 흡수하여 전기신호로 변환하며,
    상기 금속나노 입자는 광트랜지스터의 액티브 채널 영역에 형성되고, 상기 투명 반도체와 게이트 인슐레이터 사이에서 20nm이내의 상기 액티브 채널 영역에 분포하는 전하수송층이고,
    상기 투명 반도체는 그래핀(Graphene) 및 이황화몰리브덴(MoS2) 중에서 적어도 하나를 포함하는 2차원 나노소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 고투명 다파장 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명 반도체는,
    상기 변환된 전기신호의 전하 수송층인 고투명 다파장 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 투명 반도체는, 산화물 반도체 소재를 포함하는 고투명 다파장 센서.
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