KR101727419B1 - 광검출 - Google Patents

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앨런 콜리
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안나 에이덴
안드레아 페라리
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노키아 테크놀로지스 오와이
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Abstract

장치 및 방법이 제공된다. 제 1 장치는, 반도체 박막(10)과, 광 생성 캐리어(31)로 하여금 적어도 하나의 반도체 나노구조(20)로부터 반도체 박막(10)으로 이동(37)하게 보조함으로써 반도체 박막의 전도성을 변화시키도록 구성되는 헤테로접합(21)을 포함하는 적어도 하나의 반도체 나노구조(20)를 포함한다. 제 2 장치는, 반금속 박막과, 공진 에너지 이동을 통해 반금속 박막에서 캐리어 쌍을 생성하도록 구성되고, 반금속 박막에서 생성된 캐리어 쌍을 분리시키기 위한 외부 전계를 생성하도록 구성되고, 반금속 박막에서 생성된 캐리어 쌍을 분리시키기 위한 외부 전계를 생성하도록 구성된 헤테로접합을 포함하는 적어도 하나의 반도체 나노구조를 포함한다.

Description

광검출{PHOTODETECTION}
본 발명의 실시예는 광검출에 관한 것이다. 특히, 이들은 반도체 나노구조를 사용하는 광검출에 관한 것이다.
광검출기는 이에 입사되는 광을 전류로 변환함으로써 광을 검출한다.
다양하지만, 반드시 모두는 아닌, 본 발명의 실시예에 따라, 반도체 박막(a semiconductor film)과, 헤테로접합(a heterojunction)을 포함하는 적어도 하나의 반도체 나노구조를 포함하는 장치가 제공되되, 헤테로접합을 포함하는 적어도 하나의 반도체 나노구조는 광 생성 캐리어(photo-generated carriers)가 적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 반도체 박막으로 이동하게 보조함으로써 반도체 박막의 전도성을 변화시키도록 구성된다.
반도체 박막은 그라핀이 될 수 있다. 헤테로접합은 광 생성 캐리어를 적어도 하나의 반도체 나노구조에서 분리시킴으로써 광 생성 캐리어가 반도체 박막으로 이동하게 보조할 수 있다. 헤테로접합은 타입 II(type-II) 헤테로접합이 될 수 있다.
적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 반도체 박막으로의 광 생성 캐리어의 이동은 반도체 박막의 전도성을 변화시키는 전계를 생성할 수 있다.
적어도 하나의 반도체 나노구조는 헤테로접합을 형성하는 제 1 반도체 나노재료 및 제 2 반도체 나노재료를 포함할 수 있다.
제 1 반도체 나노재료 및 제 2 반도체 나노재료는 반도체 박막에 상대적으로 배열되어서 광 생성 캐리어는 제 2 반도체 나노재료로부터 반도체 박막으로 이동되되, 제 1 반도체 나노재료로부터 반도체 박막으로는 이동되지 않는다.
제 2 반도체 나노재료는 반도체 박막과 직접 접촉할 수 있다. 제 1 반도체 나노재료는 반도체 박막과 접촉하지 않을 수 있다. 제 1 반도체 나노재료는 제 2 반도체 나노재료 내에 매립(encased)될 수 있다.
장치는 제 2 반도체 나노재료로부터 반도체 박막으로 연장되는 전기 브릿지(an electrical bridge)를 더 포함할 수 있다. 전기 브릿지는 금속이거나 금속을 포함할 수 있다. 금속은 금, 백금, 팔라듐, 니켈 또는 구리 중 하나 이상이 될 수 있거나 이를 포함할 수 있다.
다양하지만, 반드시 모두는 아닌, 본 발명의 실시예에 따라, 광 생성 캐리어가 적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 반도체 박막으로 이동하게 보조함으로써 반도체 박막의 전도성을 변화시키기 위해 적어도 하나의 반도체 나노구조의 헤테로접합을 사용하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
헤테로접합은 광 생성 캐리어를 적어도 하나의 반도체 나노구조에서 분리시킴으로써 광 생성 캐리어가 반도체 박막으로 이동하게 보조할 수 있다. 헤테로접합은 타입 II 헤테로접합이 될 수 있다.
적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 반도체 박막으로의 광 생성 캐리어의 이동은 반도체 박막의 전도성을 변화시키는 전계를 생성할 수 있다.
다양하지만, 반드시 모두는 아닌, 본 발명의 실시예에 따라, 반금속 박막과, 헤테로접합을 포함하는 적어도 하나의 반도체 나노구조를 포함하는 장치가 제공되되, 적어도 하나의 반도체 나노구조는 공진 에너지 이동(resonant energy transfer)을 통해 반금속 박막에서 캐리어 쌍을 생성하도록 구성되고, 반금속 박막에서 생성된 캐리어 쌍을 분리시키기 위한 외부 전계를 생성하도록 구성된다.
반금속 박막은 그라핀이 될 수 있다. 헤테로접합은 타입 II 헤테로접합이 될 수 있다. 헤테로접합은 광 생성 캐리어 쌍을 분리시킴으로써 외부 전계를 생성하도록 구성될 수 있다. 적어도 하나의 반도체 나노구조의 광 생성 캐리어 쌍으로부터 공진 에너지 이동을 통해 반금속에서 캐리어 쌍이 생성될 수 있다.
장치는 적어도 하나의 반도체 나노구조와 반도체 박막 사이의 배리어(a barrier)를 더 포함할 수 있다. 외부 전계는 배리어에 의해 적어도 하나의 반도체 나노구조 내에 구속된(bound) 광 생성 캐리어 쌍을 분리시킴으로써 생성될 수 있다. 외부 전계는 거의 쌍극 전계(an electric dipole field)가 될 수 있다. 적어도 하나의 반도체 나노구조는 광 생성 캐리어가 적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 반금속 박막으로 이동하게 보조함으로써 외부 전계를 생성하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 반도체 나노구조는, 헤테로접합을 형성하는 제 1 반도체 나노재료 및 제 2 반도체 나노재료를 포함할 수 있다. 헤테로접합은 반금속 박막에서 생성된 캐리어 쌍의 이동의 방향과 실질적으로 수직인 방향으로 연장될 수 있다.
헤테로접합은 광 생성 캐리어를 적어도 하나의 반도체 나노구조에서 분리시킴으로써 광 생성 캐리어가 반도체 박막으로 이동하게 보조할 수 있다.
적어도 하나의 반도체 나노구조는, 헤테로접합을 형성하는 제 1 반도체 나노재료 및 제 2 반도체 나노재료를 포함할 수 있다. 제 1 반도체 나노재료 및 제 2 반도체 나노재료는 반도체 박막에 상대적으로 배열되어서 광 생성 캐리어는 제 2 반도체 나노재료로부터 반도체 박막으로 이동되되, 제 1 반도체 나노재료로부터 반금속 박막으로는 이동되지 않는다.
제 2 반도체 나노재료는 반금속 박막과 직접 접촉할 수 있다. 제 1 반도체 나노재료는 반금속 박막과 접촉하지 않을 수 있다. 제 1 반도체 나노재료는 제 2 반도체 나노재료 내에 매립될 수 있다.
장치는 추가 헤테로접합을 포함하는 적어도 하나의 추가 반도체 나노구조를 더 포함할 수 있고, 적어도 하나의 추가 반도체 나노구조는 공진 에너지 이동을 통해 반금속 박막에서 추가 캐리어 쌍을 생성하도록 구성되고, 반금속 박막에서 추가 생성된 캐리어 쌍을 분리시키기 위한 추가 외부 전계를 생성하도록 구성된다.
적어도 하나의 반도체 나노구조는, 제 1 주파수 임계치 이상의 주파수를 갖는 광의 수신에 응답하여 적어도 하나의 반도체 나노구조에서 생성된 광 생성 캐리어 쌍으로부터 공진 에너지 이동을 통해 반금속 박막에서 캐리어 쌍을 생성하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 추가 반도체 나노구조는, 제 1 주파수 임계치 보다 낮은 제 2 주파수 임계치 이상의 주파수를 갖는 광의 수신에 응답하여 적어도 하나의 추가 반도체 나노구조에서 생성된 광 생성 캐리어 쌍으로부터 공진 에너지 이동을 통해 반금속 박막에서 추가 캐리어 쌍을 생성하도록 구성될 수 있다.
제 1 주파수 임계치 미만이며 제 2 주파수 임계치 이상인 주파수를 갖는 적어도 하나의 반도체 나노구조 및 적어도 하나의 추가 반도체 나노구조에 의한 광의 수신에 응답하여 반금속 박막에서 전류가 생성될 수 있고, 제 1 주파수 임계치 이상이며 제 2 주파수 임계시 미만인 주파수를 갖는 적어도 하나의 반도체 나노구조 및 적어도 하나의 추가 반도체 나노구조에 의한 광의 수신에 응답하여 반금속에서 전류가 생성되지 않을 수 있다.
다양하지만, 반드시 모두는 아닌, 본 발명의 실시예에 따라, 헤테로접합을 포함하는 적어도 하나의 반도체 나노구조를 사용하여 공진 에너지 이동을 통해 반금속 박막에서 캐리어 쌍을 생성하는 단계와, 헤테로접합을 사용하여 반금속 박막에서 생성된 캐리어 쌍을 분리시키기 위한 외부 전계를 생성하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
외부 전계는 광 생성 캐리어 쌍을 분리시키는 헤테로접합에 의해 생성될 수 있다.
간단한 설명을 이해하는데 유용한 다양한 예시들을 더 잘 이해하기 위해, 이제 오직 예시의 방식으로 첨부한 도면에 대한 참조가 이루어질 것이다.
도 1은 반도체 박막 및 반도체 나노구조를 포함하는 장치를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 장치가 광을 수신하기 시작하기 이전에 전도성 대 시간의 그래프를 도시한다.
도 3은 광자(photon) 수신에 후속하는 도 1에 도시된 장치를 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 장치에서 광의 수신에 후속하는 전도성 대 시간의 그래프이다.
도 5는 도 1 및 도 3에 도시된 장치에 대한 에너지 대역 다이어그램의 예시를 도시한다.
도 6은 제 1 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7은 반도체 박막, 반도체 나노구조, 및 반도체 박막과 반도체 나노구조를 연결하는 전기 브릿지를 포함하는 장치를 도시한다.
도 8은 도 7에 도시된 장치가 광을 수신하기 시작하기 이전에 전도성 대 시간의 그래프를 도시한다.
도 9는 광자 수신에 후속하는 도 7에 도시된 장치를 도시한다.
도 10은 도 7에 도시된 장치에서 광의 수신에 후속하는 전도성 대 시간의 그래프이다.
도 11은 도 7 및 도 9에서 도시된 장치에 대한 에너지 대역 다이어그램의 예시를 도시한다.
도 12는 반금속 박막 및 반도체 나노구조를 포함하는 장치를 도시한다.
도 13은 반금속 박막 및 다수의 반도체 나노구조를 포함하는 장치의 평면도를 도시한다.
도 14는 반금속 박막 및 다수의 반도체 나노구조를 포함하는 장치를 포함하는 장치를 도시한다.
도 15는 반금속 박막, 반도체 나노구조의 제 1 세트 및 반도체 나노구조의 제 2 세트를 포함하는 장치를 포함하는 장치를 도시한다.
도 16은 제 2 방법의 흐름도를 도시한다.
본 발명의 실시예는 반도체 나노구조를 사용하는 광검출에 관한 것이다.
도면은 반도체 박막(10)과, 광 생성 캐리어(31)가 적어도 하나의 반도체 나노구조(20)로부터 반도체 박막(10)으로 이동하게 보조함으로써 반도체 박막(10)의 전도성을 변화시키도록 구성된, 헤테로접합(21)을 포함하는 적어도 하나의 반도체 나노구조(20)를 포함하는 장치(100/101)를 도시한다.
도면은 또한 반금속 박막(11)과, 공진 에너지 이동을 통해 반금속 박막(11)에서 캐리어 쌍(130,131)을 생성하도록 구성되고, 반금속 박막(11)에서 생성된 캐리어 쌍(230,231)을 분리하기 위해 외부 전계(60)를 생성하도록 구성된, 적어도 하나의 반도체 나노구조(20/120/20a 내지 20e/20a 내지 20j)를 포함하는 장치(102/103/104/105)를 도시한다.
도 1은 반도체 박막(10) 및 반도체 나노구조(20)를 포함하는 제 1 장치(100)의 단면도를 도시한다. 반도체 나노구조(20)는 두 전기 접점(2, 3) 사이 반도체 박막(10) 상에 위치된다.
전기 접점(2, 3) 사이 단일 반도체 나노구조(20)를 도시하는 도 1의 예시는 예시적인 것이다. 실제로, 전기 접점(2, 3) 사이에 위치된 다수의 반도체 나노구조(20)가 존재할 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.
이 예시에서, 반도체 박막(10)은 그라핀이다. 그라핀은 제로 갭 반도체이며 반금속이다. 다른 예시에서 반도체 박막(10)은 예를 들어, 실리콘이 될 수 있다.
반도체 나노구조(20)는, 타입 II(스태거형 갭) 헤테로접합(21)을 형성하는 제 1 반도체 나노재료(22) 및 제 2 반도체 나노재료(23)를 포함한다. 도시된 예시에서, 반도체 나노구조(20)는 나노로드(a nanorod)이다. 제 1 반도체 나노재료(22)는 제 2 반도체 나노재료(23) 내에 (전부) 매립(encased)된다.
도 1에서 제 1 반도체 나노재료(22)는 제 2 반도체 박막(10)과 접촉하고 있지 않다. 제 1 반도체 나노재료(22)는 제 2 반도체 나노재료(23)에 의해 반도체 박막(10)으로부터 분리된다.
제 2 반도체 나노재료(23)는 반도체 박막(10)과 직접 접촉하는 것으로 고려된다. 외재성 재료(extrinsic material)의 층은 제 2 반도체 나노재료(23)와 반도체 박막(10) 사이에 위치될 수 있고, 외재성 재료의 존재는 회피하기 어렵고, 불편하거나 불가능하다. 외재성 재료의 층은 반도체 나노구조(20)의 고유(native) 산화물, 나노구조 합성 프로세스로부터의 잔여 유기 리간드(residual organic ligand) 및/또는 환경으로부터의 흡수된 물 또는 분자를 포함할 수 있다. 외재성 재료의 층은 5 나노미터의 두께로 제한된다(바람직하게는 5 나노미터보다 더 작다).
동작 중에, 광이 반도체 나노구조(20) 상에 입사될 때, 캐리어 쌍(전자-정공 쌍)이 나노구조(20) 내에서 생성된다. 도 1은 입사 광자(40)가 반도체 나노구조(20) 내에 캐리어 쌍(30, 31)을 생성하는 예시를 도시한다. 도 1의 도시에서, 전자(31)는 제 2 반도체 나노재료(23) 내에 나타나고 정공(30)은 제 1 반도체 나노재료(22) 내에 나타난다.
헤테로접합(21)의 빌트인 필드는 캐리어의 하나의 타입(전자 또는 정공)(30, 31)이 서로 분리되도록 한다. 이는 나노구조(20)에서의 빠른 재결합을 방지하고, 나노구조(20)와 박막(10) 사이에서 발생하는 터널링을 위해 더 많은 시간을 제공함으로써 전자 또는 정공이 반도체 박막(10)으로 이동하게 보조한다. 도 3에서 도시된 예시에서, 전자(31)는 반도체 박막(10)으로 터널링되는 것으로서 도시된다. 참조 부호(37)이 붙여진 화살표는 박막(10)으로의 전자(310)의 이동을 도시한다.
박막으로의 캐리어(31)의 이동은 나노구조(20)와 박막(10) 사이의 전계를 생성하여, 박막(10)의 전도성을 변화(증가 또는 감소)시킨다. 이 예시에서, (도 3에서 플러스 부호(36)로 도시된 바와 같이) 양으로 대전된 이온을 남겨두고 전자(31)가 박막(10)으로 터널링할 때 박막(10)의 전도성이 감소된다. 제 2 반도체 재료(23)에 의해 박막(10)으로부터 분리된 제 1 반도체 나노재료(22)에 정공(30)이 위치되기 때문에 정공(30)은 박막(10)으로 이동되지 않는다. 따라서 나노구조(20)로부터 박막(10)으로 지향되는 전계가 생성된다.
접점(2, 3)을 사용하여 박막(10)을 거쳐 바이어스가 인가되면, 박막(10)으로 이동되는 캐리어는 박막(10)을 거쳐 접점(2, 3) 사이를 흐를 것이다. 도 3은 화살표(35)로 도시된 바와 같이, 제 1 접점(2)이 제 2 접점(3)에 대해 양으로 대전되어 제 1 접점(2)으로 이동된 전자(310)의 이동을 야기하는 상황을 도시한다.
도 6은 제 1 방법에 따른 흐름도를 도시한다. 도 6의 블록(601)에서, 광이 반도체 나노구조(20)에 의해 수신되기 이전에, 바이어스는 접점(2, 3)을 통해 반도체 박막(10)을 거쳐 인가된다. 이 예시에서, 바이어스의 인가는 제 1 접점(2)으로부터 제 2 접점(3)으로 흐르는 전류를 야기한다. 도 2는, 그 시점에, 박막(10)의 전도성은 실질적으로 일정한 것을 도시한다.
도 6의 블록(602)에서, 광은 나노구조(20)에서 수신되고, 이는 박막(10)으로의 전하 이동을 야기한다. 전하 이동으로부터 생성된 전계는 박막(10)의 전도성을 변화시켜, 이 예시에서, 도 4에 도시된 그래프에서 도시된 바와 같이 박막(10)의 전도성을 감소시킨다. 박막(10)의 전도성이 변화되는 정도는 반도체 나노구조(20) 상에 입사되는 광속(photon flux)에 의존한다. 박막(10)의 전도성이 변화되는 속도는 반도체 나노구조(20)와 반도체 박막(10) 사이에 위치된 외재성 재료의 양에 의존한다. 더 얇은 외재성 재료 배리어는 박막(10)으로의 더 양호한 캐리어 이동, 및 전도성에서의 더 큰 변화율을 야기한다.
사실상, 반도체 나노구조(20)는 접점(2, 3) 사이에서, 반도체 박막(10)에 의해 제공되는, 전도성 채널의 전도성을 제어하는데 사용되는 광 게이트(a photo-gate)로서의 역할을 한다.
이점으로서, 위에서 설명된 바와 같이, 반도체 나노구조(20)에서의 헤테로접합(21)은 나노구조(20) 내에서 광 생성 전자 및 정공을 분리하여, 빠른 재결합을 방지한다. 이는 반도체 박막(10)으로 이동시키고 박막(10)의 전도성을 변경하기 위해 전자 또는 정공에 더 많은 시간을 제공한다.
일례에서, 제 1 반도체 나노재료(22)는 카드뮴 황화물(CdS)이 될 수 있고, 제 2 반도체 나노재료(23)는 카드뮴 셀렌화물(CdSe)이 될 수 있고, 반도체 박막(10)은 그라핀이다. 도 5는 이러한 예시를 위한 에너지 대역 다이어그램을 도시한다. 외재성 재료의 인터페이스 배리어(12)가 다이어그램 상에 도시된다. 위에서 언급된 바와 같이, 인터페이스 배리어(12)의 두께는 5 나노미터 이하이다.
도 7 내지 도 11은 도 1 내지 도 6에서 도시되고 위에서 설명된 실시예와 유사한 본 발명의 실시예를 도시한다. 제 2 장치(101)는 도 7 및 도 9에서 도시되고 전기 브릿지(70)를 더 포함한다는 점에서 도 1 및 도 3에 도시된 제 1 장치(100)와 상이하다. 전기 브릿지(70)는 제 2 반도체 나노재료(23)로부터 반도체 박막(10)으로 확장된다.
전기 브릿지(70)는 금속이 될 수 있다. 바람직하게는 사용된 금속은 공기에 대한 노출 시에 쉽게 산화되지 않는다. 금, 백금, 팔라듐, 니켈 및 구리와 같은 금속이 적합하다.
이점으로서 전기 브릿지(70)는 광 생성 캐리어가 나노구조(20)로부터 반도체 박막(10)으로 이동하게 보조한다. 도 9의 화살표(38)는 제 2 반도체 나노재료(23)로부터 전기 브릿지(70)로 이동하는 전자(31)를 도시한다. 도 9의 추가 화살표(39)는 전기 브릿지(70)로부터 반도체 박막(10)으로 이동하는 전자(31)를 도시한다.
도 8의 그래프는 광이 나노구조에서 수신되기 이전에 이 실시예에서의 반도체 박막(10)의 전도성을 도시한다. 도 10의 그래프는 광이 나노구조(20)에서 수신될 때 반도체 박막(10)의 전도성에서의 감소를 도시한다. 이점으로서, 전기 브릿지(70)의 존재에 기인하여, 이 실시예에서 박막(10)의 전도성이 변화되는 레이트는 도 1 내지 도 5와 관련하여 위에서 설명된 실시예에서 보다 더 크다.
도 11은 본 발명의 이 실시예에 대한 에너지 대역 다이어그램을 도시하고, 여기서 제 1 반도체 나노재료(22)는 카드뮴 황화물(CdS)이고, 제 2 반도체 나노재료(23)는 카드뮴 셀렌화물(CdSe)이고, 전기 브릿지(70)는 금(Au)으로부터 만들어지고 반도체 박막(10)은 그라핀이다. 에피텍셜 인터페이스(14)는 제 2 반도체 나노재료(23)와 전기 브릿지(70) 사이에 도시된다.
도 12는 반금속 박막(11) 및 반도체 나노구조(120)를 포함하는 제 3 장치(102)의 단면도를 도시한다. 반도체 박막(11)은, 예를 들어, 그라핀이 될 수 있다. 도시된 예시에서, 반도체 나노구조(120)는 나노로드이다.
반도체 나노구조(120)는 제 1 전기 접점(2)과 제 2 전기 접점(3) 사이에 반금속 박막(11) 상에 위치된다. 도 1 내지 도 11과 관련하여 위에서 설명된 실시예와는 달리, 본 실시예에서, 바이어스는 동작 중에 접점(2, 3)을 거쳐 인가되지 않는다.
반도체 나노구조(120)는 공진 에너지 이동을 통해 반금속 박막(11)에서 캐리어 쌍(230, 231)을 생성하도록 구성되고, 반금속 박막(11)에서 생성된 캐리어 쌍(230, 231)을 분리시키기 위해 외부 전계(60)를 생성하도록 구성된다. 이는 이하에서 더 자세하게 설명된다.
도 12에 도시된 반도체 나노구조(120)는 타입 II(스태거형 갭) 헤테로접합(121)을 형성하는 제 1 반도체 나노재료(122) 및 제 2 반도체 나노재료(123)를 포함한다. 도시에서, 헤테로접합(121)은 도시된 반금속 박막(110)과 실질적으로 수직인 방향으로 연장된다. 도시된 예시에서, 반도체 나노구조(120)는 나노로드이다. 도시된 헤테로접합(121)은 나노구조(120)의 중심을 통과하여 나노구조(120)를 둘로 나눈다.
장치(10)는 반금속 박막(11)으로부터 제 1 반도체 나노재료(122) 및 제 2 반도체 나노재료(123) 둘로 분리하는 배리어(도 12에 도시되지 않음)를 더 포함한다. 배리어는, 예를 들어, 5 나노미터 이상의 두께가 될 수 있고 반도체 나노구조(120)와 반금속 박막(11) 사이에서 전하 이동을 경감 또는 방지하도록 의도된다.
동작 중에, 광이 반도체 나노구조(120)(광자(40, 41)로 도시됨) 상에 입사될 때, 캐리어 쌍(전자-정공 쌍)은 나노구조(120) 내에 생성된다. 헤테로접합(121)의 빌트인 필드는 광 생성 전자를 광 생성 정공으로부터 분리되게 한다. 도 12는 입사 광자(40)가 반도체 나노구조(120) 내에 캐리어 쌍(130, 131)을 생성하는 예시를 도시한다. 도 12의 도시에서, 전자(131)는 제 2 반도체 나노재료(123) 내에 나타나고 정공(130)은 제 1 반도체 나노재료(122) 내에 나타난다.
광 생성 캐리어 쌍은 반도체 나노구조(120) 내에 구속된다. 나노구조(120)와 박막(11) 사이의 배리어의 두께는, 광 생성 캐리어 쌍이 반금속 박막(11) 내로 통과할 수 없거나, 통과할 가능성이 매우 희박할 정도로 형성된다.
반도체 나노구조(120)에서 광 생성 캐리어(전자-정공) 쌍은 광을 방출시키는 것 없이 대신에, 근거리 커플링을 통해, 반금속 박막(11)에 등가 캐리어(전자-정공) 쌍을 여자(exciting)시켜 재결합할 수 있다. 이는 공진 에너지 이동으로서 알려져 있다.
반도체 나노구조(120)에서 광 생성 정공으로부터 광 생성 전자의 분리는 반도체 나노구조(120)의 외부에 전계(60)를 생성한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 이 예시에서 전계는 나노구조(120) 내부에서 영(null)이고 나노구조(120) 외부에서 전계(60)는 거의 쌍극 전계이다. 도 12에 플러스 및 마이너스 부호(61, 62)로 도시된 바와 같이, 외부 전계(60)는 제 1 반도체 나노재료(122)로부터 제 2 반도체 나노재료(123)로 지향된다.
외부 전계(60)는 공진 에너지 이동을 통해 생성되는 반금속 박막(11)에서의 캐리어 쌍을 분리한다. 도 12는 외부 전계(60)의 영향 하에서 반금속 박막(11)을 통과해 제 1 접점(2)을 향해 이동하는 정공(231)을 도시한다(화살표(229) 참조). 도 12는 또한 외부 전계(60)의 영향 하에서 반금속 박막(11)을 통과해 제 2 접점(3)을 향해 이동하는 전자(235)를 도시한다(화살표(235) 참조).
도 12에서 화살표(75)로 도시된 바와 같이, 반금속 박막(11)에서 전자 및 정공의 이동은 반금속 박막(110)에서 전류가 생성되게 한다. 따라서 전류(75)의 방향은 반도체 나노구조(120)에 의해 생성된 전계(60)의 방향에 의존하며, 결국, 나노구조(120)에서 헤테로접합(121)의 방향에 의존한다. 헤테로접합(121)이 박막(11)에서의 캐리어 쌍의 이동의 방향과 실질적으로 수직(따라서 전류 흐름의 방향과 수직)인 방향으로 연장되는 것을 도 12에서 볼 수 있다.
도 13은 접점(2, 3) 사이에서 다수의 반도체 나노구조(1200)를 포함하는 제 4 장치(103)를 도시하고, 여기서 각각의 반도체 나노구조는 도 12에서 도시되고 위에서 설명된 반도체 나노구조(120)와 동일한 형태를 갖는다.
다수의 반도체 나노구조(1200)의 각각은 도 13에서 동일한 극성으로 정렬되고, 각각의 나노구조에서 제 1 반도체 나노재료(122)는 제 2 접점(3) 보다 제 1 접점(2)에 더 가깝고, 각각의 나노구조에서 제 2 반도체 나노재료(123)는 제 1 접점(2) 보다 제 2 접점(3)에 더 가깝다. 도 13에서 나노구조의 각각은 인접한 나노구조 사이에서 상호 전계 보상을 회피할 정도로 충분히 멀리 이격되어 배열된다.
동작 중에, 광이 반도체 나노구조(1200) 상에 입사될 때, 전류(75)는 반금속 박막(11)을 통과하여 제 1 접점(2)으로부터 제 2 접점(30)으로 흐른다.
이점으로서, (접점(2, 3)을 거쳐 인가되는 바이어스의 부재에 기인하여) 제 3 장치 및 제 4 장치(102, 103)는 전력 입력에 대한 필요성 없이 광검출기로서 동작한다.
도 14는 반금속 박막(11) 및 다수의 반도체 나노구조(20a 내지 20e)를 포함하는 제 5 장치(104)를 도시한다. 반금속 박막(11)은, 예를 들어, 그라핀이 될 수 있다.
반도체 나노구조(20a 내지 20e)는 제 1 접점(2)과 제 2 접점(3) 사이에서 반금속 박막(11) 상에 위치된다. 이 예시에서, 반도체 나노구조(20a 내지 20e)는 제 1 접점(2) 보다 제 2 접점(3)에 더 가까운 영역에 위치된다. 동작 중에 바이어스는 접점(2, 3)을 거쳐 인가되지 않는다.
반도체 나노구조(20a 내지 20e)의 각각은 도 1 및 도 3 또는 도 7 및 도 9에 도시된 반도체 나노구조(20)와 동일한 형태를 갖는다. 반도체 나노구조(20a 내지 20e)의 각각은 반금속 박막(11)과 접촉하는 것으로 고려된다. 위에서 설명된 도 1 내지 도 11의 실시예에서와 같이, 나노구조(20a 내지 20e)와 박막(11) 사이, 또는 나노구조(20a 내지 20e)와 전기 브릿지(70)(만약 있다면) 사이에 인터페이스 층(12, 14)이 존재할 수 있다.
광이 반도체 나노구조(20a 내지 20e)에서 수신될 때, 캐리어 쌍(전자-정공 쌍)이 나노구조(20a 내지 20e) 내에서 생성된다. 도 1 내지 도 11과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 각각의 나노구조(20a 내지 20e)에서 헤테로접합(21)의 빌트인 필드는 캐리어의 하나의 타입(전자 또는 정공)이 서로 분리되도록 한다. 이는 나노구조와 박막(11) 사이에서 발생할 터널링을 위해 더 많은 시간을 제공함으로써 나노구조(20a 내지 20e)에서 빠른 재결합을 방지하고 전자 또는 정공이 반금속 박막(11)으로 이동하게 보조한다.
반도체 나노구조(20a 내지 20e)로부터 박막(11)으로의 캐리어의 이동은 나노구조(20a 내지 20e)와 박막(11) 사이에 전계를 생성하여, 박막(11)의 전도성을 감소시킨다. 이 예시에서, 도 14에서 나노구조(20a 내지 20e)의 각각에서 플러스 부호(36)로 도시된 바와 같이, 양으로 대전된 이온을 남기며 전자는 박막(11)으로 터널링한다. 이는 나노구조(20a 내지 20e)로부터 박막(11)으로 지향되는 외부 전계가 생성되게 한다. 전계의 존재는 반금속 박막(11)의 에너지 대역 프로파일(80)을 변경하여, 반도체 나노구조(20a 내지 20e)가 위치된 영역에서 이를 낮춘다. 박막(11)에서 변경된 에너지 대역 프로파일(80)은 도 14에서 점선으로 도시된다.
각각의 나노구조(20a 내지 20e)가 저장될 수 있는 최대 전하가 존재한다. 이는 "포화 값"이 되는 것으로 간주될 수 있다. 특정 포인트를 넘어, 나노구조(20a 내지 20e)와 박막(11) 사이에서 생성된 외부 전계는 나노구조(20a 내지 20e)와 박막(11) 사이에서 캐리어의 이동을 저해하기 때문에 포화가 발생한다. 나노구조(20a 내지 20e)로부터 박막(11)으로 이동하는 광 생성 캐리어와 외부 전계에 기인하여 박막(11)으로부터 나노구조(20a 내지 20e)로 다시 이동하는 캐리어 사이에서 동적 평형이 형성될 것이다.
광이 반도체 나노구조(20a 내지 20e)에서 수신될 때 공진 에너지 이동이 또한 발생한다. 위에서 설명된 바와 같이, 공진 에너지 이동에서, 나노구조(20a 내지 20e)에서 광 생성 캐리어(전자-정공) 쌍은 광을 방출하는 것 없이 대신에 근거리 커플링을 통해 반금속 박막(11)에서 등가 캐리어(전자-정공) 쌍을 여자시켜 재결합한다.
전하 이동이 나노구조(20a 내지 20e)와 박막(11) 사이에서 발생하여 이들 사이에 전계가 존재하면(그리고 박막(11)의 에너지 대역 프로파일(80)이 변화됨), 공진 에너지 이동에 의한 박막(11)에서 생성된 전자 및 정공의 이동은 전계에 의해 영향을 받는다. 이는 광이 나노구조(20a 내지 20e) 상에 입사될 때 접점(2, 3) 사이에 전류를 생성한다.
도 14는 에너지 대역 프로파일(80)을 따라 유도되는 정공(229) 및 전자(23)를 도시한다(화살표(229 및 235) 참조). 생성된 전류의 방향은 제 2 접점(3)으로부터 제 1 접점(2)으로 향하는 것이다.
이점으로서, (동작 중에 접점(2, 3)을 거쳐 인가된 바이어의 부재에 기인하여) 제 5 장치(104)는 전력 입력에 대한 필요성 없이 광검출기로서 동작한다.
도 15는 반금속 박막(11), 반금속 박막(11) 상에 위치된 반도체 나노구조의 제 1 세트(20a 내지 20e) 및 반금속 박막(11) 상에 위치된 반도체 나노구조의 제 2 세트(20f 내지 20j)를 포함하는 제 6 장치(105)를 도시한다. 도 15는 또한 장치(105) 상에 입사되는 일련의 광자(40 내지 43)를 도시한다.
반도체 나노구조의 제 1 세트 및 제 2 세트(20a 내지 20e, 20f 내지 20j)는 제 1 접점과 제 2 접점(2, 3) 사이 반금속 박막(11) 상에 위치되지만, 제 1 세트(20a 내지 20e)는 제 2 세트(20f 내지 20j)로부터 분리된다. 동작 중에 바이어스는 접점(2, 3)을 거쳐 인가되지 않는다.
제 1 세트의 반도체 나노구조(20a 내지 20e)의 형태는 반도체 나노 구조(20f 내지 20j)의 형태와 상이하고, 제 1 세트의 반도체 나노구조(20a 내지 20e)의 각각은 제 2 세트의 반도체 나노구조(20f 내지 20f)와 상이한 밴드 갭을 갖는다.
반도체 나노구조(20a 내지 20e)의 제 1 세트는, 예를 들어, 반도체 나노구조(20f 내지 20j)의 제 2 세트와 상이한 재료로부터 만들어질 수 있다.
제 1 세트의 반도체 나노구조(20a 내지 20e)의 각각은 제 1 임계치 이상의 주파수를 갖는 광에 대해 민감하다. 즉, 광 생성 캐리어 쌍은 제 1 임계치 이상의 주파수를 갖는 광의 수신에 응답하여 제 1 세트의 반도체 나노구조(20a 내지 20e)에서 생성된다.
제 2 세트의 반도체 나노구조(20f 내지 20j)의 각각은 제 2 임계치 이상의 주파수를 갖는 광에 대해 민감하다. 즉, 광 생성 캐리어 쌍은 제 2 임계치 이상의 주파수를 갖는 광의 수신에 응답하여 제 2 세트의 반도체 나노구조(20f 내지 20j)에서 생성된다. 제 2 주파수 임계치는 제 1 주파수 임계 값 미만이다.
제 1 주파수 임계치 및 제 2 주파수 임계치 둘 미만의 주파수를 갖는 광이 제 1 세트 및 제 2 세트의 반도체 나노구조(20a 내지 20j) 상에 입사될 때, 나노구조(20a 내지 20j) 내에는 광 생성 캐리어 쌍이 생성되지 않고 따라서 접점(2, 3) 사이에서 흐르는 전류가 존재하지 않는다.
광이 제 1 주파수 임계치 이상(따라서 또한 제 2 주파수 임계치 초과)의 주파수를 갖는 제 1 세트 및 제 2 세트의 반도체 나노구조(20a 내지 20j) 상에 입사될 때 광 생성 캐리어 쌍이 제 1 세트 및 제 2 세트의 나노구조(20a 내지 20e, 20f 내지 20j) 모두에서 생성된다. 제 1 세트의 나노구조(20a 내지 20e)와 박막(11) 사이 및 제 2 세트의 나노구조(20f 내지 20j)와 박막(11) 사이의 캐리어의 이동은, 반금속 박막(11)의 에너지 대역 프로파일(81)에 대한 변경을 야기한다. 도 15는 이 상황에서 반금속 박막(11)의 에너지 대역 프로파일을 도시한다.
공진 에너지 이동을 통해 박막(11)에서 생성된 캐리어 쌍의 이동은 박막(11)의 변경된 에너지 대역 프로파일(81)에 의해 영향을 받는다. 박막(11)에서 생성된 전자는 제 1 세트의 나노구조(20a 내지 20e)로부터 제 2 접점(3)을 향해 유도된다. 박막(11)에서 생성된 정공은 제 1 세트의 나노구조(20a 내지 20e)로부터 제 1 접점(2)을 향해 유도된다. 반대로, 박막(11)에서 생성된 전자는 제 2 세트의 나노구조(20f 내지 20e)로부터 제 1 접점(2)을 향해 유도된다. 박막(11)에서 생성된 정공은 제 2 세트의 나노구조(20f 내지 20j)로부터 제 2 접점(3)을 향해 유도된다.
결과적으로, 제 1 세트의 나노구조(20a 내지 20e)에 의해 생성된 전류는 제 2 세트의 나노구조(20f 내지 20j)에 의해 생성된 전류에 의해 상쇄되어서, 접점(2, 3) 사이에서 흐르는 전류는 존재하지 않는다.
광이 제 1 주파수 임계치 미만 및 제 2 주파수 임계치 이상의 주파수를 갖는 제 1 세트 및 제 2 세트의 반도체 나노구조(20a 내지 20j) 상에 입사될 때, 광 생성 캐리어 쌍이 제 2 세트의 나노구조(20f 내지 20j)에서 생성되지만, 제 1 세트의 나노구조(20a 내지 20e)에서는 생성되지 않는다. 제 1 세트의 나노구조(20a 내지 20e)와 박막(11) 사이에서의 캐리어의 이동은 반금속 박막(11)의 에너지 대역 프로파일에 대한 변경을 야기한다. 하지만, 제 1 세트의 나노구조(20a 내지 20e)와 박막(11) 사이의 캐리어의 이동이 존재하지 않아서, 박막(11)의 에너지 대역 프로파일은 도 15에 도시된 것보다는 도 14에 도시된 것의 형태를 갖는다.
제 1 세트의 반도체 나노구조(20a 내지 20e)에서 광 생성 전자 및 정공의 재결합에 기인하여, 공진 에너지 이동을 통해 캐리어 쌍이 박막(11)에서 생성된다. 이들 캐리어 쌍의 이동은 박막(11)의 변경된 에너지 대역 프로파일에 의해 영향을 받아, 박막(11)에서 전류를 생성한다.
결론적으로, 제 6 장치(105)는 주파수의 특정 대역 내의 주파수를 갖는 광에 대해서만 민감한 광검출기로서의 역할을 한다. 이점으로서, 제 6 장치(105)는 전력 소스 없이 동작하고 (동작 중에 접점(2, 3)을 거쳐 인가되는 바이어스의 부재에 기인하여) 일부 광검출기에서 광 필터에 의해 도입되는 손실을 겪지않는다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 제 2 방법을 도시한다. 도 16의 블록(1601)에서, 헤테로접합(21/121)을 포함하는 반도체 나노구조(20/120)(도 12, 13, 14 또는 15에서 도시됨)는, 공진 에너지 이동을 통해 반금속 박막(11)에서 캐리어 쌍(230, 231)을 생성한다. 도 16의 블록(1602)에서, 반도체 나노구조(20/120)는 반금속 박막(11)에서 생성된 캐리어 쌍(230, 231)을 분리하기 위한 외부 전계를 생성한다.
비록 본 발명의 실시예가 다양한 실시예와 관련하여 이전 단락에서 설명되었지만, 주어진 예시에 대한 수정이 청구된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있음이 이해될 것이다.
예를 들어, 위에서 설명된 예시들 중 일부에서, 박막(10)으로의 전하 이동은 박막(10)의 전도성을 감소시키지만, 다른 예시에서는 박막(10)의 전도성을 증가시킬 수 있다.
도 1 내지 도 11과 관련하여 위에서 설명된 본 발명의 실시예에서 공진 에너지 이동을 통해 박막(10)에서 캐리어 쌍이 생성될 수 있지만, 나노구조(20)와 박막(10) 사이에서의 전하 이동에 기인하여 발생하는 광 게이트 효과는 공진 에너지 이동으로부터 생성된 임의의 직접 광전류 보다 더 센 크기의 정도라는 것이 이해될 것이다.
이전 설명에서 설명된 특징은 명시적으로 설명된 조합 이외의 조합에서 사용될 수 있다.
기능이 특정 특징과 관련하여 설명되었지만, 이들 기능은 설명되었는지 여부에 상관없이 다른 특징에 의해 수행가능한 것일 수 있다.
특징이 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 이들 특징은 또한 설명되었는지 여부에 상관없이 다른 실시예에 또한 제시될 수 있다.
특히 중요한 것으로서 여겨지는 본 발명의 이들 특징에 대해 관심을 끌도록 본 명세서에서 시도하였고, 특정 강조가 위치되었는지 여부에 상관없이 도면에서 도시되고/거나 위에서 언급된 임의의 특허가능한 특징 또는 특징들의 조합의 관점에서 보호를 주장함이 이해되어야할 것이다.

Claims (38)

  1. 반도체 박막(a semiconductor film)과,
    헤테로접합(a heterojunction)을 형성하는 제 1 반도체 나노재료 및 제 2 반도체 나노재료를 포함하는 적어도 하나의 반도체 나노구조를 포함하되,
    상기 적어도 하나의 반도체 나노구조는 광 생성 캐리어(photo-generated carriers)가 상기 적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 상기 반도체 박막으로 이동하게 보조함으로써 상기 반도체 박막의 전도성을 변화시키도록 구성되고,
    상기 헤테로접합은 광 생성 캐리어를 상기 적어도 하나의 반도체 나노구조에서 분리시킴으로써 상기 광 생성 캐리어가 상기 반도체 박막으로 이동하게 보조하며,
    상기 적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 상기 반도체 박막으로의 광 생성 캐리어의 이동은 상기 반도체 박막의 전도성을 변화시키는 전계를 생성하며,
    상기 제 1 반도체 나노재료는 상기 제 2 반도체 나노재료 내에 전부 매립(encased)되는
    장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤테로접합은 타입 II(type-II) 헤테로접합인
    장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 나노재료 및 상기 제 2 반도체 나노재료는 상기 반도체 박막에 상대적으로 배열되어서 광 생성 캐리어가 상기 제 2 반도체 나노재료로부터 상기 반도체 박막으로 이동되지만, 상기 제 1 반도체 나노재료로부터 상기 반도체 박막으로는 이동되지 않고,
    상기 제 2 반도체 나노재료는 상기 반도체 박막과 직접 접촉하며,
    상기 제 1 반도체 나노재료는 상기 반도체 박막과 접촉하지 않는
    장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 반도체 나노재료로부터 상기 반도체 박막으로 연장되는 전기 브릿지(an electrical bridge)를 더 포함하는
    장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 전기 브릿지는 금속이거나 금속을 포함하는
    장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속은 금, 백금, 팔라듐, 니켈 또는 구리 중 하나 이상이거나 포함하는
    장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 박막은 그라핀(graphene)인
    장치.
  14. 광 생성 캐리어가 적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 반도체 박막으로 이동하게 보조함으로써 상기 반도체 박막의 전도성을 변화시키기 위해 상기 적어도 하나의 반도체 나노구조에 포함된 제 1 반도체 나노재료 및 제 2 반도체 나노재료에 의해 형성된 헤테로접합을 사용하는 단계 - 상기 제 1 반도체 나노재료는 상기 제 2 반도체 나노재료 내에 전부 매립(encased)됨 - 를 포함하되,
    상기 헤테로접합은 광 생성 캐리어를 상기 적어도 하나의 반도체 나노구조에서 분리시킴으로써 상기 광 생성 캐리어가 상기 반도체 박막으로 이동하게 보조하고,
    상기 적어도 하나의 반도체 나노구조로부터 상기 반도체 박막으로의 광 생성 캐리어의 이동은 상기 반도체 박막의 전도성을 변화시키는 전계를 생성하는
    방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 헤테로접합은 타입 II 헤테로접합인
    방법.
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
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  31. 삭제
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  35. 삭제
  36. 삭제
  37. 삭제
  38. 삭제
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