KR101957730B1 - Method of mamufacturing photodetector using transition metal dichalcogenide - Google Patents
Method of mamufacturing photodetector using transition metal dichalcogenide Download PDFInfo
- Publication number
- KR101957730B1 KR101957730B1 KR1020170152942A KR20170152942A KR101957730B1 KR 101957730 B1 KR101957730 B1 KR 101957730B1 KR 1020170152942 A KR1020170152942 A KR 1020170152942A KR 20170152942 A KR20170152942 A KR 20170152942A KR 101957730 B1 KR101957730 B1 KR 101957730B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- transition metal
- substrate
- electron beam
- absorbing layer
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 37
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 6
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 41
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 36
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 19
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- -1 transition metal chalcogen compounds Chemical class 0.000 claims description 31
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 11
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 7
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 5
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 3
- YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N zinc indium(3+) oxygen(2-) Chemical compound [O--].[Zn++].[In+3] YVTHLONGBIQYBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052789 astatine Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 18
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 46
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 16
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 8
- 239000010408 film Substances 0.000 description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 6
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 2
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 2
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 2
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 150000001786 chalcogen compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
- H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
Description
본 발명은 포토디텍터의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 포토디텍터의 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a photodetector, and more particularly, to a method of manufacturing a photodetector using a transition metal chalcogenide compound.
포토 디텍터(photodetector)는 수광소자로서, 광통신망, 정밀측정장비 등에 광범위하게 사용되어 왔다. 최근의 통신망은 동영상을 포함한 대용량 데이터를 고속으로 처리하기 위해 테라 헤르츠(THz)로 동작이 가능한 4세대 통신망을 지향하고 있다. 이에 따라 통신망에 들어가는 각 부품들도 고속 대용량 처리에 적합한 구조로 개량되고 있다.A photodetector is a light receiving element, and has been used extensively in optical communication networks, precision measuring instruments, and the like. Recently, the communication network is aiming at a 4th generation communication network capable of operating in terahertz (THz) in order to process a large amount of data including moving pictures at a high speed. As a result, each component in the network is being upgraded to a structure suitable for high-speed, high-capacity processing.
포토 디텍터에 사용되는 그래핀은 대부분의 파장 대역에서 광을 흡수할 수 있는 바, 광대역(broad band)의 전송을 가능케 한다. 그러므로, 그래핀를 이용해서 대용량의 데이터도 고속으로 전송할 수 있다. 또한, 그래핀은 1층의 면저항이 100 ohm/sq 정도이고, 광흡수율이 2.3% 로 투명전극으로 활용 가능하여 포토 디텍터에 활용될 수 있다.The graphene used in photodetectors is capable of absorbing light in most wavelength bands, allowing broadband transmission. Therefore, a large amount of data can be transmitted at high speed by using graphene. In addition, graphene has a sheet resistance of about 100 ohm / sq of the first layer and a light absorptance of 2.3%, which can be utilized as a transparent electrode and can be used in a photodetector.
그럼에도 불구하고, 그래핀을 포토디텍터에 적용함에 있어 에너지 변환 효율은 여전히 낮고, 검출 신호의 세기도 여전히 낮은 수준이다.Nevertheless, in applying graphene to a photodetector, the energy conversion efficiency is still low and the intensity of the detected signal is still low.
따라서, 광반응성, 광흡수율 등의 특성이 우수한 포토디텍터의 연구가 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to study a photodetector having excellent properties such as photoreactivity and light absorptivity.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0083150호(2015.07.17. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 그래핀 포토디텍터 및 그 제조 방법이 기재되어 있다.A background art related to the present invention is Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2015-0083150 (published on July 17, 2017), which discloses a graphene photodetector and a manufacturing method thereof.
본 발명의 목적은 우수한 광 검출능을 가지는 포토디텍터의 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a photodetector having excellent photodetecting ability.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 포토디텍터의 제조 방법은 (a) 기판 상에 절연막을 형성하고, 상기 절연막 상에 섀도 마스크(shadow mask)를 배치하는 단계; (b) 상기 기판 상에 스퍼터링 공정으로 10층 이하의 전이금속 칼코겐화합물을 증착하여, 전이금속 칼코겐화합물로 형성된 광흡수층을 형성하는 단계; (c) 상기 섀도 마스크를 제거하고, 상기 광흡수층이 형성된 기판 상에 전자빔을 조사하여 결정화하는 단계; 및 (d) 상기 광흡수층 상에 제1전극 및 제2전극이 서로 이격되도록 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a photodetector, including: (a) forming an insulating film on a substrate and disposing a shadow mask on the insulating film; (b) depositing 10 or less transition metal chalcogen compounds on the substrate by a sputtering process to form a light absorbing layer formed of a transition metal chalcogenide compound; (c) removing the shadow mask and irradiating an electron beam onto the substrate on which the light absorption layer is formed to crystallize the shadow mask; And (d) forming the first electrode and the second electrode on the light absorption layer so as to be spaced apart from each other.
상기 (d) 단계는 상기 광흡수층 상에 섀도 마스크를 배치하고, 증발법(evaporation)으로 제1전극 및 제2전극을 형성 후 상기 섀도 마스크를 제거하여 수행될 수 있다.The step (d) may be performed by disposing a shadow mask on the light absorption layer, forming a first electrode and a second electrode by evaporation, and then removing the shadow mask.
상기 (d) 단계는 (d1) 상기 광흡수층이 형성된 기판 상에 포토 레지스트를 도포하여 코팅하는 단계; (d2) 상기 포토 레지스트가 코팅된 기판 상에 섀도 마스크를 배치하고, UV를 조사하는 단계; (d3) 상기 UV를 조사받은 기판 상에 증발법으로 제1전극 및 제2전극을 형성하는 단계; 및 (d4) 리프트 오프법(lift-off process)을 이용하여, 상기 포토 레지스트가 형성된 영역을 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.The step (d) includes the steps of: (d1) coating and coating a photoresist on the substrate having the light absorbing layer formed thereon; (d2) disposing a shadow mask on the substrate coated with the photoresist, and irradiating UV light; (d3) forming a first electrode and a second electrode by evaporation on the UV-irradiated substrate; And (d4) removing a region where the photoresist is formed using a lift-off process.
상기 제1전극 및 제2전극은 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중 1종 이상의 금속, 또는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 1종 이상의 금속 산화물을 포함할 수 있다.The first electrode and the second electrode may be formed of a metal such as Au, Ag, Cr, Ti, Cu, Al, Ta, , At least one metal selected from the group consisting of tungsten (W), nickel (Ni), palladium (Pd) and platinum (Pt), indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide have.
상기 전이금속 칼코겐화합물에 포함되는 전이금속은 Mo, W, Sn, Zr, Ni, Ga, In, Bi, Hf, Re, Ta 및 Ti 중에서 선택되고, 상기 전이금속 칼코겐화합물에 포함되는 칼코겐 원소는 S, Se 및 Te 중에서 선택될 수 있다.Wherein the transition metal contained in the transition metal chalcogenide compound is selected from among Mo, W, Sn, Zr, Ni, Ga, In, Bi, Hf, Re, Ta and Ti, The element may be selected from S, Se and Te.
상기 스퍼터링 공정 및 전자빔 조사는 600℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다.The sputtering process and the electron beam irradiation may be performed at a temperature of 600 DEG C or lower.
상기 스퍼터링 공정은 RF 파워 5~20W, 공정 압력 5~20mTorr, 증착 시간 1~20분에서 수행되고, 상기 전자빔 조사는 RF 파워 50~300W, DC 파워 50~3000V, 조사 시간 0.5~20분으로 수행될 수 있다.The sputtering is performed at an RF power of 5 to 20 W, a process pressure of 5 to 20 mTorr, and a deposition time of 1 to 20 minutes. The electron beam irradiation is performed at an RF power of 50 to 300 W, a DC power of 50 to 3000 V, .
본 발명에 따르면, 섀도 마스크를 이용하여 전이금속 칼코겐화합물로부터 광흡수층을 형성하고, 섀도 마스크 또는 포토리소그래피를 이용하여 제1전극 및 제2전극를 형성하는 포토디텍터의 제조 방법에 의해, 광 검출능이 우수한 포토디텍터를 제조할 수 있다.According to the present invention, by a method of manufacturing a photodetector in which a light absorption layer is formed from a transition metal chalcogenide compound using a shadow mask and a first electrode and a second electrode are formed using a shadow mask or photolithography, An excellent photodetector can be manufactured.
도 1은 본 발명에 따른 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 포토디텍터의 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 섀도 마스크를 이용한 포토디텍터의 제조 방법을 나타낸 개략도이다.
도 3은 섀도 마스크 및 포토리소그래피를 이용한 포토디텍터의 제조 방법을 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 포토디텍터의 SEM 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따른 포토디텍터의 제조 방법으로 제조된 포토디텍터의 단면도이다.
도 6은 전자빔이 수행되지 않은 MoS2샘플의 시간에 따른 광전류(nA)를 나타낸 것이다.
도 7은 1kV의 전자빔이 처리된 MoS2샘플의 시간에 따른 광전류(nA)를 나타낸 것이다.
도 8은 3kV의 전자빔이 처리된 MoS2샘플의 시간에 따른 광전류(nA)를 나타낸 것이다.
도 9는 도 6 내지 도 8의 결과를 비교한 것(좌)과 MoS2샘플의 광반응성을 비교한 것(우)이다.
도 10은 제1전극과 제2전극 사이에 걸어준 전압(VDS)에 따른 MoS2샘플의 암전류(dark current)를 나타낸 것이다.
도 11은 1kV의 전자빔이 처리된 WS2샘플의 시간에 따른 광전류(nA)를 나타낸 것이다.
도 12는 제1전극과 제2전극 사이에 걸어준 전압(VDS)에 따른 MoS2샘플의 광반응성을 비교한 것(좌)과 VDS=10V일 때, 도 12의 결과를 비교한 것(우)이다.
도 13은 제1전극과 제2전극 사이에 걸어준 전압(VDS)에 따른 WS2샘플의 암전류(dark current)를 나타낸 것이다.
1 is a flowchart showing a method of manufacturing a photodetector using a transition metal chalcogen compound according to the present invention.
2 is a schematic view showing a method of manufacturing a photodetector using a shadow mask according to the present invention.
3 is a schematic view showing a shadow mask and a method of manufacturing a photodetector using photolithography.
4 is an SEM image of a photodetector using a transition metal chalcogen compound according to the present invention.
5 is a cross-sectional view of a photodetector manufactured by the method of manufacturing the photodetector according to the present invention.
Fig. 6 shows the photocurrent (nA) over time of the MoS 2 sample in which the electron beam was not performed.
Figure 7 shows the photocurrent (nA) over time of the MoS 2 sample treated with an electron beam of 1 kV.
Figure 8 shows the photocurrent (nA) over time of the MoS 2 sample treated with an electron beam of 3 kV.
9 is that (R) a comparison of the reactivity of the light one (left) and MoS 2 sample comparing the results of FIGS. 6-8.
10 shows the dark current of the MoS 2 sample according to the voltage (V DS ) applied between the first electrode and the second electrode.
Figure 11 shows the photocurrent (nA) over time of a WS 2 sample with an electron beam of 1 kV processed.
12 compares the results of FIG. 12 when the photoreactivity of the MoS 2 sample (left) versus the voltage (V DS ) applied between the first electrode and the second electrode (left) and V DS = 10 V (Right).
13 shows the dark current of the WS 2 sample according to the voltage (V DS ) applied between the first electrode and the second electrode.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 포토디텍터의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for manufacturing a photodetector using a transition metal chalcogenide compound according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
포토디텍터는 전극으로는 소스와 드레인을 포함하고, 전극 사이에 광흡수층을 포함한다. 광흡수층의 감광물질이 광 신호를 흡수하고, 이에 따라 생성된 전자와 홀이 양 전극으로 빠져나가는 원리이다. 일반적으로, 광흡수층의 두께가 두꺼워질수록 광흡수율이 높아지는 반면, 밴드갭이 작아져 광흡수층에 존재하는 결함에 의해 전자와 홀의 흐름이 방해받는 문제점이 있다. The photodetector includes a source and a drain as electrodes and a light absorbing layer between the electrodes. The photosensitive material of the light absorbing layer absorbs the optical signal, and the electrons and holes thus generated pass to the both electrodes. Generally, the thicker the light absorbing layer, the higher the light absorption rate, while the band gap becomes smaller, and the flow of electrons and holes is disturbed by defects existing in the light absorbing layer.
본 발명에서는 광흡수층을 전이금속 칼코겐화합물로 형성하여, 광흡수율, 광반응성 등이 우수한 포토디텍터를 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.The present invention provides a method for producing a photodetector excellent in light absorptivity, photoreactivity and the like by forming a light absorbing layer of a transition metal chalcogen compound.
도 1은 본 발명에 따른 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 포토디텍터의 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 포토디텍터의 제조 방법은 섀도 마스크를 배치하는 단계(S110), 광흡수층을 형성하는 단계(S120), 전자빔을 조사하는 단계(S130), 및 제1전극 및 제2전극을 형성하는 단계(S140)를 포함한다.1 is a flowchart showing a method of manufacturing a photodetector using a transition metal chalcogen compound according to the present invention. Referring to FIG. 1, a method of manufacturing a photodetector according to the present invention includes the steps of arranging a shadow mask S110, forming a light absorbing layer S120, irradiating an electron beam S130, And forming a second electrode (S140).
섀도 마스크를 배치하는 단계(S110)The step of arranging the shadow mask (S110)
먼저, 기판(10) 상에 절연막(미도시)을 형성하고, 상기 절연막 상에 섀도 마스크(shadow mask)를 배치한다.First, an insulating film (not shown) is formed on the
상기 기판의 형상, 구조, 크기 등에 대해서는 특별한 제한이 없으며, 목적에 따라 적절히 선택할 수 있다. 상기 기판의 구조는 단층 구조여도 되고, 적층 구조여도 된다. 상기 기판은 예를 들어, Si 등의 무기 재료 등으로 이루어지는 기판을 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판은 p형 불순물 또는 n형 불순물로 도핑될 수도 있다.The shape, structure, size, etc. of the substrate are not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. The substrate may have a single-layer structure or a stacked-layer structure. As the substrate, for example, a substrate made of an inorganic material such as Si can be used. Further, the substrate may be doped with a p-type impurity or an n-type impurity.
상기 절연막은 전이금속 칼코겐화합물(TMD)이 수 원자층 정도의 초박막으로 사용되는 것을 고려하여, 고유전 물질을 사용하는 것이 고성능 구현에 유리하다. 상기 절연막은 높은 절연성을 갖는 것으로, SiO2, SiON, Al2O3, Y2O3, Ta2O5 및 HfO2 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 절연막은 예를 들어, 코팅 방식, 진공 증착법, 스퍼터링법 등의 방식으로 형성될 수 있다.Considering that a transition metal chalcogenide compound (TMD) is used as an ultra-thin film of about several atomic layers, it is advantageous to use a high dielectric constant material in the insulating film. The insulating film has high insulating properties and may include at least one of SiO 2 , SiON, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Ta 2 O 5, and HfO 2 . The insulating layer may be formed by a coating method, a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like.
섀도 마스크는 증착용 재료들이 선택적으로 증착할 수 있게 설계된 마스크로서, 섀도 마스크를 이용하여 광흡수층을 형성하게 되면, 수십 나노미터 정도의 폭으로 광흡수층을 형성할 수 있다. 상기 섀도 마스크는 메탈 섀도 마스크, PDMS(Polydimethylsiloxane) 또는 PMMA(Polymethyl methacrylate)와 같은 고분자 섀도 마스크 등을 사용할 수 있다. The shadow mask is a mask designed to selectively deposit vapor deposition materials. When a light absorption layer is formed using a shadow mask, a light absorption layer can be formed with a width of about several tens of nanometers. The shadow mask may be a polymer shadow mask such as a metal shadow mask, PDMS (polydimethylsiloxane), or PMMA (polymethyl methacrylate).
광흡수층을 형성하는 단계(S120)Forming a light absorption layer (S120)
이어서, 스퍼터링 공정으로 10층 이하의 전이금속 칼코겐화합물을 증착하여, 전이금속 칼코겐화합물로 형성된 광흡수층(20)을 형성한다.Subsequently, ten or less transition metal chalcogen compounds are deposited by a sputtering process to form a
상기 광흡수층(20)은 전이금속 칼코겐화합물을 포함함으로써, 외부로부터 입사된 광을 흡수할 수 있다. 빛의 흡수로 인해 광흡수층에서는 전자(electron) 및 정공(hole)이 발생하게 되고, 전자 및 정공의 이동에 따라 광전류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 광흡수층에서의 광흡수에 의해 발생된 정공은 제1전극 쪽으로 이동할 수 있으며, 전자는 제2전극 쪽으로 이동할 수 있다. 또는, 전자가 제1전극 쪽으로 이동하고, 정공은 제2전극 쪽으로 이동할 수 있다.The
MoS2, WS2와 같은 전이금속 칼코겐화합물은 그래핀을 대체할 수 있는 이차원 물질로 주목받고 있으며, 일반적으로 MX2의 화학식으로 표현된다. 이때, M은 Mo, W, Sn, Zr, Ni, Ga, In, Bi, Hf, Re, Ta 및 Ti 중에서 선택되는 전이금속 원소이고, X는 S, Se, Te와 같은 칼코겐 원소이다. 이러한 전이금속 칼코겐화합물들은 원리적으로 구성 원자들과 이차원적인 상호작용만 한다. 따라서, 전이금속 칼코겐화합물들에서 캐리어들의 수송은 통상적인 박막이나 벌크와는 전혀 다르게, 탄도 수송 양상을 나타내며, 이로부터 고이동도, 고속, 저전력 특성 구현이 가능하다. 특히, 몰리브데늄디설파이드(MoS2)는 1.2~1.8eV의 밴드갭을 가져 가시광선 영역에서 좋은 광반응성을 가지고 있어 가장 바람직하다.Transition metal chalcogen compounds such as MoS 2 and WS 2 have attracted attention as two-dimensional materials that can replace graphene and are generally represented by the formula of MX 2 . In this case, M is a transition metal element selected from Mo, W, Sn, Zr, Ni, Ga, In, Bi, Hf, Re, Ta and Ti. X is a chalcogen element such as S, Se or Te. These transition metal chalcogen compounds principally interact only with the constituent atoms in a two-dimensional manner. Therefore, the transport of carriers in the transition metal chalcogenide compounds exhibits a trajectory transporting behavior unlike conventional thin films or bulk, from which high mobility, high speed and low power characteristics can be realized. In particular, molybdenum disulfide (MoS 2 ) is most preferable because it has a band gap of 1.2 to 1.8 eV and has good photoreactivity in the visible light region.
이차원 구조의 칼코겐 화합물의 특성상 수 nm 정도의 얇고 균일한 박막으로 광흡수층을 형성하는 것이 필요하다. 전이금속 칼코겐화합물 박막을 10층 이하로 형성함으로써, 2차원 반도체적인 특성이 발휘되는 것이 바람직하다.It is necessary to form a light absorbing layer with a thin and uniform thin film of several nanometers in the nature of a chalcogen compound having a two-dimensional structure. By forming the transition metal chalcogenide compound thin film to 10 layers or less, it is preferable that the two-dimensional semiconductor characteristics are exhibited.
한편, 스퍼터링 공정에서 결정질의 광흡수층을 직접 형성할 수도 있으나, 이 경우 박막의 균일도가 문제시되는 바, 본 발명에서는 균일도 측면에서 유리한 비정질 박막을 스퍼터링 공정으로 우선 증착한다. On the other hand, in the sputtering process, a crystalline light absorbing layer can be directly formed. However, in this case, since uniformity of the thin film is a problem, in the present invention, an amorphous thin film advantageous in terms of uniformity is first deposited by a sputtering process.
스퍼터링 공정에 있어서, 기공이나 결함이 최소화된 비정질의 박막을 얻기 위해서 RF 파워를 최소화하고, 스퍼터 건과 기판 사이의 거리를 일정거리 이상으로 유지하여 증착율을 최소로 유지함으로써, 비정질이지만 균일한 원자배열을 최대한 도모할 수 있다. In order to obtain an amorphous thin film with minimized pores or defects in the sputtering process, the RF power is minimized and the distance between the sputter gun and the substrate is maintained at a certain distance or more to keep the deposition rate to a minimum, Can be maximized.
또한, 상기 스퍼터링 공정은 RF 파워 5~20W, 공정 압력 20mTorr 이하에서 수행될 수 있다.Also, the sputtering process may be performed at an RF power of 5 to 20 W and a process pressure of 20 mTorr or less.
이때, 전이금속 칼코겐화합물은 600℃ 이하의 온도에서 증착 가능한 스퍼터링 공정이 수행되는 것이 바람직하며, 이 경우, 전자빔 처리 역시 600℃ 이하 에서 수행될 수 있어, 전이금속 칼코겐화합물 박막 형성이 전체적으로 600℃ 이하의 온도에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 스퍼터링 공정과 전자빔 조사는 25±5℃에서 수행될 수 있으며, 100~600℃에서 채널부를 형성하는 것이 더 높은 결정성을 형성하기에 유리하다. 상온에서 1분 동안 전자빔 조사 후에는 590℃까지 도달할 수 있다.At this time, it is preferable that the transition metal chalcogen compound is subjected to a sputtering process capable of depositing at a temperature of 600 ° C or less. In this case, the electron beam treatment can also be performed at 600 ° C or less, Lt; 0 > C or less. Preferably, the sputtering process and the electron beam irradiation can be performed at 25 + -5 DEG C, and forming a channel portion at 100 to 600 DEG C is advantageous for forming a higher crystallinity. It can reach up to 590 캜 after electron beam irradiation at room temperature for 1 minute.
스퍼터링에 의한 전이금속 칼코겐화합물 박막을 증착할 경우, 증착된 전이금속 칼코겐화합물의 원자 재배열을 통한 결정화가 요구되는데 결정화는 주로 700℃ 이상의 고온 열처리 방법이 이용된다. 그러나, 고온 열처리 방법의 경우 긴 공정 시간 및 고온에 따른 제조 비용이 상승하는 바, 본 발명에서는 저온에서 수행 가능하고 공정 시간이 짧은 전자빔 처리를 이용하여 전이금속 칼코겐화합물의 결정화를 수행하였다.When a thin film of a transition metal chalcogenide compound is deposited by sputtering, crystallization through atomic rearrangement of the deposited transition metal chalcogenide compound is required. A high temperature heat treatment method of 700 ° C or more is mainly used for crystallization. However, in the case of the high temperature heat treatment method, the manufacturing cost is increased according to the long process time and the high temperature. In the present invention, the crystallization of the transition metal chalcogenide compound is performed by electron beam treatment which can be performed at low temperature and the process time is short.
전자빔을 조사하는 단계(S130)The step of irradiating the electron beam (S130)
이어서, 상기 섀도 마스크를 제거하고, 상기 광흡수층(20)이 형성된 기판(10) 상에 전자빔을 조사하여 결정화한다. 기판 상에 전이금속 칼코겐화합물을 스퍼터링으로 증착한 후 전자빔으로 후처리함으로써, 증착된 전이금속 칼코겐화합물의 결정성이 증가하게 된다.Subsequently, the shadow mask is removed, and an electron beam is irradiated on the
전자빔 조사는 원자 재배열을 일으켜 MoS2, WS2 등의 이차원 구조를 형성시킨다. 전자빔 조사의 공정 온도는 600℃ 이하일 수 있으며, 상기 전자빔 조사의 공정 온도에 따라 가열되는 기판의 온도 역시 600℃ 이하일 수 있고, 공정 시간은 1분 혹은 그 이하일 수 있다. Electron beam irradiation causes atom rearrangement to form a two-dimensional structure such as MoS 2 and WS 2 . The process temperature of the electron beam irradiation may be 600 ° C or lower, and the temperature of the substrate heated according to the process temperature of the electron beam irradiation may be 600 ° C or lower, and the process time may be 1 minute or less.
상기 전자빔 조사는 RF 파워 50~300W, DC 파워 50~3000V, 조사 시간 0.5~20분으로 수행될 수 있다.The electron beam irradiation may be performed at an RF power of 50 to 300 W, a DC power of 50 to 3000 V, and an irradiation time of 0.5 to 20 minutes.
제1전극 및 제2전극을 형성하는 단계(S140)Forming a first electrode and a second electrode (S140)
이어서, 상기 기판(10) 상에 이격되고, 상기 결정화된 광흡수층(20) 상에 제1전극(30) 및 제2전극(40)을 형성한다. 상기 제1전극 및 제2전극의 밑면의 일부 또는 전부는 상기 광흡수층과 접촉된다. 상기 제1전극 및 제2전극은 상부 전극 및 하부 전극으로 이루어진 전극, 또는 단층으로 이루어진 전극일 수 있다. 상기 제1전극 및 제2전극 중 하나는 소스 전극이고, 나머지는 드레인 전극일 수 있다.Next, a
제1전극 및 제2전극은 섀도 마스크 공정 또는 포토리소그래피 공정에 의해 패터닝되어 형성될 수 있다.The first electrode and the second electrode may be formed by patterning by a shadow mask process or a photolithography process.
섀도 마스크 공정을 이용한 경우, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 광흡수층 상에 섀도 마스크를 배치한다. 이어서, 증발법(evaporation)으로 제1전극 및 제2전극을 패터닝하여 형성한 후 상기 섀도 마스크를 제거할 수 있다. In the case of using the shadow mask process, as shown in Fig. 2, a shadow mask is disposed on the light absorbing layer. Next, the shadow mask may be removed after the first and second electrodes are formed by patterning by evaporation.
상기 증발법은 증착시키고자 하는 재료를 진공 속에서 기화시켜 기판 상에 증착시키는 것으로, 증발 시, 섀도 마스크를 이용하여 제1전극 및 제2전극을 선택적으로 증착시킴으로써, 패터닝된 전극부를 형성할 수 있다.In the evaporation method, a material to be deposited is vaporized in a vacuum and is deposited on a substrate. In vaporization, a first electrode and a second electrode are selectively deposited using a shadow mask to form a patterned electrode portion have.
상기 제1전극 및 제2전극은 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중 1종 이상의 금속, 또는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 1종 이상의 금속 산화물을 포함할 수 있다.The first electrode and the second electrode may be formed of a metal such as Au, Ag, Cr, Ti, Cu, Al, Ta, , At least one metal selected from the group consisting of tungsten (W), nickel (Ni), palladium (Pd) and platinum (Pt), indium tin oxide (ITO), and indium zinc oxide have.
도 3은 섀도 마스크 및 포토리소그래피를 이용한 포토디텍터의 제조 방법을 나타낸 개략도이다.3 is a schematic view showing a shadow mask and a method of manufacturing a photodetector using photolithography.
포토리소그래피 공정을 이용한 경우, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 광흡수층이 형성된 기판 상에 감광물질인 포토 레지스트를 도포하여 코팅한다. 포토리소그래피는 빛을 이용하여 웨이퍼의 표면에 패턴을 형성하는 것이다. 포토 레지스트(PR)는 네거티브와 파지티브로 구분된다. 네거티브 PR은 빛이 쪼일 때, 빛을 받지 않은 부분이 제거되는 것이고, 파지티브 PR은 빛이 쪼일 때, 빛을 받은 부분만 제거되는 것이다. 상기 코팅은 스핀 코팅 등을 이용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.In the case of using the photolithography process, as shown in Fig. 3, a photoresist, which is a photosensitive material, is applied and coated on the substrate having the light absorption layer formed thereon. Photolithography is the use of light to form a pattern on the surface of a wafer. The photoresist PR is divided into a negative and a positive. Negative PR is the removal of uninfluenced parts when the light is shaded, and the positive PR is removed only when the light is shaded. The coating may be applied by spin coating or the like, but is not limited thereto.
이어서, 포토 레지스트가 코팅된 기판 상에 마스크를 배치하고, UV를 조사(UV exposure)하면, 코팅된 감광물질이 반응하게 된다. 도 3에서는 네거티브 PR을 이용하였기 때문에, 빛을 받지 않은 부분이 제거되어 패턴이 남게 된다(develop).Subsequently, when a mask is placed on a substrate coated with a photoresist and UV exposure is performed, the coated photosensitive material reacts. In FIG. 3, since the negative PR is used, the light is not removed and the pattern is developed.
이어서, 상기 UV를 조사받은 기판 상에 증발법으로 제1전극 및 제2전극을 패터닝한다. 증발법과 제1전극 및 제2전극에 대한 사항은 전술한 바와 같다. 도 3을 참조하면, 패턴이 형성된 영역과 패턴이 형성되지 않은 영역 상에 제1전극과 제2전극의 재료가 모두 증착된 것을 확인할 수 있다. 이 상태에서 리프트 오프법(lift-off process)을 이용하여, 패턴이 형성된 영역을 모두 제거하면, 상기 기판 상에 제1전극 및 제2전극을 형성할 수 있다.Subsequently, the first electrode and the second electrode are patterned by evaporation on the UV-irradiated substrate. The matters relating to the evaporation method, the first electrode and the second electrode are as described above. Referring to FIG. 3, it can be seen that both the material of the first electrode and the material of the second electrode are deposited on the patterned region and the non-patterned region. In this state, if the area where the pattern is formed is completely removed by using the lift-off process, the first electrode and the second electrode can be formed on the substrate.
본 발명에서는 도 4 및 도 5에서 도시한 바와 같이, 광흡수층(20), 제1전극(30) 및 제2전극(40)이 형성된 포토디텍터를 제조할 수 있다. 특히, 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 광흡수층을 형성함으로써, 광흡수율 및 광검출능이 우수한 포토디텍터를 제조할 수 있다.4 and 5, a photodetector in which the
본 발명에 따라 제조된 포토 디텍터는 수광소자를 필요로 하는 다양한 장치에 구비될 수 있는데, 예를 들면 자동 노출이나 측광에 사용되는 수광소자를 포함하는 카메라에서 상기 수광소자 대신에 사용될 수도 있다.The photodetector manufactured according to the present invention may be provided in various apparatuses requiring a light receiving element, and may be used in place of the light receiving element in a camera including a light receiving element used for, for example, automatic exposure or photometry.
1. 포토디텍터의 제조1. Manufacture of photodetector
먼저, Si 기판 상에 HfO2 절연막을 형성하고, 광흡수층과 동일한 형상의 개구부를 포함하는 섀도 마스크를 배치하였다. 스퍼터링 공정으로 10층의 MoS2을 증착하여, MoS2로 형성된 광흡수층을 형성하였다. 증착 조건은 25℃, 증착 파워 20W, 증착 압력 5mTorr, 증착 시간 5분이다.First, an HfO 2 insulating film was formed on a Si substrate, and a shadow mask including an opening having the same shape as that of the light absorption layer was disposed. 10 layers of MoS 2 were deposited by a sputtering process to form a light absorption layer formed of MoS 2 . The deposition conditions were 25 캜, a deposition power of 20 W, a deposition pressure of 5 mTorr, and a deposition time of 5 minutes.
이어서, 상기 섀도 마스크를 제거하고, 광흡수층이 형성된 기판 상에 전자빔을 조사하여 결정화하였다. 전자빔 조건은 25℃, RF 파워 300W, 조사 시간 1분, DC 파워는 1kV, 3kV이다. 상온에서 1분 동안 전자빔 조사 후 기판의 온도가 590℃에 도달했다.Subsequently, the shadow mask was removed, and the substrate on which the light absorbing layer was formed was irradiated with an electron beam to be crystallized. The electron beam conditions are 25 캜, RF power 300 W,
이어서, 기판 및 상기 광흡수층 상에 섀도 마스크를 배치하고, 증발법을 이용하여 Ti 제1전극 및 Au 제2전극을 형성하여, 포토디텍터를 제조하였다.Next, a shadow mask was disposed on the substrate and the light absorbing layer, and a Ti first electrode and an Au second electrode were formed by using evaporation method to produce a photodetector.
다른 실시예로, 상기 MoS2 대신에 WS2로 형성된 광흡수층을 포함하는 포토디텍터를 제조하였다. 증착 조건은 25℃, 증착 파워 20W, 증착 압력 10mTorr, 증착 시간 7분이고, 전자빔 조건은 25℃, RF 파워 300W, 조사 시간 1분, DC 파워는 1kV, 3kV이다. 상온에서 1분 동안 전자빔 조사 후 기판의 온도가 590℃에 도달했다.In another embodiment, to prepare a photodetector comprising a light absorbing layer formed of the WS 2 in place of the MoS 2. The deposition conditions are 25 ° C, deposition power 20W, deposition pressure 10mTorr, deposition time 7min,
2. 포토디텍터의 평가 및 결과2. Evaluation and results of photodetector
제조한 포토디텍터에 대하여, 광전류(photocurrent) 및 광반응성(responsivity) 측정을 실시하였다.Photocurrent and photoreactivity of the photodetector were measured.
본 발명의 포토디텍터의 중요한 특성으로는 검출 파장, 광반응성(responsivity), 광검출성(detectivity), 상승 시간(rise time), 하강 시간(fall time) 등이 있다.Important characteristics of the photodetector of the present invention include detection wavelength, responsivity, detectivity, rise time, fall time, and the like.
[계산식 1][Equation 1]
계산식 1에서 R은 광반응성이고, Iph(photocurrent)는 생성된 광전류를 나타낸다. R은 생성된 광전류를 입사광의 파워밀도(power density, P)와 광흡수층의 면적(A)으로 나눈 값으로, 입사된 에너지 대비 생성된 전류를 의미한다.In the equation (1), R is photoreactive and I ph (photocurrent) represents the generated photocurrent. R is a value obtained by dividing the generated photocurrent by the power density (P) of the incident light and the area (A) of the light absorbing layer, and means the generated current with respect to the incident energy.
[계산식 2][Equation 2]
계산식 2에서 D*는 광검출성이고, 광반응성에서는 소스와 드레인 사이에 걸어준 전압(VDS, bias voltage)이 무시되는 맹점이 있다. 광검출성에서는 입사광이 없을 때의 전류 밀도(dark current density, Jd)가 변수로 들어가기 때문에 VDS를 어느 정도 반영할 수 있다.In the equation (2), D * is light-detectable, and in photoreactivity, a voltage (V DS , bias voltage) between the source and the drain is ignored. In the photosensitivity, V DS can be reflected to some extent because the dark current density (J d ) in the absence of incident light becomes a variable.
도 6 내지 도 13에서 샘플의 종류는 전자빔 처리 전(as-dep), 1kV 전자빔 처리(1kV), 3kV 전자빔 처리(3kV)의 3종류이다. 사용된 레이저의 파장은 450nm, 532nm, 635nm이다. 광흡수층에 입사된 레이저의 파워밀도는 각각 14.9mW/cm2, 3.9mW/cm2, 10.7mW/cm2이다.In Figs. 6 to 13, there are three types of samples: before electron beam processing (as-dep), 1 kV electron beam processing (1 kV), and 3 kV electron beam processing (3 kV). The wavelength of the laser used is 450 nm, 532 nm, and 635 nm. The power densities of the laser beams incident on the light absorbing layer are 14.9 mW / cm 2 , 3.9 mW / cm 2 , and 10.7 mW / cm 2, respectively.
도 6을 참조하면, 전자빔을 처리하기 전 MoS2 광흡수층을 포함하는 샘플은 450nm 파장을 조사했을 때, 최대 10nA의 광전류값을 나타내었다. 반면, 532nm 파장 및 635nm 파장을 조사했을 때에는 광전류값이 거의 0에 가까운 결과를 나타내었다.Referring to FIG. 6, the sample including the MoS 2 light absorption layer before the electron beam treatment showed a photocurrent value of 10 nA at maximum when the wavelength was 450 nm. On the other hand, when the wavelengths of 532 nm and 635 nm were irradiated, the photocurrent values were almost zero.
도 7을 참조하면, 1kV 전자빔 처리된 샘플의 경우, 450nm 파장을 조사했을 때, 최대 2nA의 광전류값을 나타내는 반면 532nm 파장 및 635nm 파장을 조사했을 때에는 광전류값이 거의 0에 가까운 결과를 나타내었다.Referring to FIG. 7, in the case of the sample treated with 1 kV electron beam, the photocurrent value of 2 nA at maximum was observed at a wavelength of 450 nm, whereas the photocurrent value was almost 0 when the wavelength was measured at 532 nm and 635 nm.
도 8을 참조하면, 3kV 전자빔 처리된 샘플의 경우, 450nm 파장을 조사했을 때, 광전류값이 100nA 이상까지 증가하는 반면, 532nm 파장을 조사했을 때에는 광전류값이 거의 0에 가까운 결과를 나타내었다. Referring to FIG. 8, in the case of the 3 kV electron beam-treated sample, the photocurrent value increased to 100 nA or more when irradiated with a 450 nm wavelength, whereas the photocurrent value was almost 0 when the wavelength was examined at 532 nm.
도 9는 도 6 내지 도 8의 결과를 비교한 것(좌)과 MoS2샘플의 광반응성을 비교한 것(우)이다. 도 9의 결과로부터 3kV 전자빔 처리된 샘플에 450nm 파장을 조사했을 때, 가장 높은 광전류값을 나타냈으며, 광반응성은 7mA/W 이상의 높은 결과를 보여준다.9 is that (R) a comparison of the reactivity of the light one (left) and MoS 2 sample comparing the results of FIGS. 6-8. From the results of FIG. 9, when the sample irradiated with 3 kV electron beam was irradiated with a wavelength of 450 nm, the highest photocurrent value was obtained and the photoreactivity was higher than 7 mA / W.
도 10은 제1전극과 제2전극 사이에 걸어준 전압(VDS)에 따른 MoS2샘플의 암전류(dark current)를 나타낸 것이다. 빛을 흡수하는 광흡수층과 제1전극, 제2전극이 직접적으로 맞닿아 있으면 빛을 쬐지 않아도 걸어준 전압에 따라 암전류가 흐르는 현상이 발생할 수 있다. 도 10을 참조하면, 소스와 드레인 사이에 걸어준 전압(VDS)이 1~10V 범위에서 전자빔이 처리된 샘플만 암전류값이 증가하는 경향을 보인다. 특히, 3kV 전자빔 처리된 샘플이 다른 샘플에 비해 높은 암전류값을 나타내었으며, 광반응성도 높게 나타났다. 이는 광반응성이 입사된 레이저의 파워 대비 생성된 광전류를 나타내는 값으로 암전류값과는 직접적인 연관이 없는 점에서, 암전류값이 가장 높은, 즉, 저항값이 가장 낮은 샘플이 광전류도 높게 생성하기 때문에 높은 광반응성을 보였다.10 shows the dark current of the MoS 2 sample according to the voltage (V DS ) applied between the first electrode and the second electrode. If the first electrode and the second electrode are directly in contact with the light absorbing layer that absorbs light, a dark current may flow due to the voltage applied even if the light is not applied. Referring to FIG. 10, the dark current value tends to increase only in the sample in which the voltage V DS applied between the source and the drain is in the range of 1 to 10 V and the electron beam is processed. In particular, the 3 kV electron beam treated samples exhibited higher dark current values and higher photoreactivity than the other samples. This is because the photoreactivity is a value representing the photocurrent generated against the power of the incident laser and is not directly related to the dark current value. Therefore, since the dark current value is the highest, that is, the sample with the lowest resistance value produces a high photocurrent Photoreactive.
도 11은 1kV의 전자빔이 처리된 WS2샘플의 시간에 따른 광전류(nA)를 나타낸 것이다. WS2 광흡수층을 포함하는 샘플은 3가지 파장을 조사했을 때, 2~6nA의 광전류값을 나타내었다. Figure 11 shows the photocurrent (nA) over time of a WS 2 sample with an electron beam of 1 kV processed. The samples including the WS 2 light absorbing layer exhibited photocurrent values of 2 to 6 nA when the three wavelengths were irradiated.
도 12는 제1전극과 제2전극 사이에 걸어준 전압(VDS)에 따른 MoS2샘플의 광반응성을 비교한 것(좌)과 VDS=10V일 때, 도 12의 결과를 비교한 것(우)이다. 3kV 전자빔 처리된 샘플이 다른 샘플에 비해 광반응성이 높은 것을 확인할 수 있다.12 compares the results of FIG. 12 when the photoreactivity of the MoS 2 sample (left) versus the voltage (V DS ) applied between the first electrode and the second electrode (left) and V DS = 10 V (Right). It can be confirmed that the sample subjected to 3 kV electron beam treatment has higher photoreactivity than the other samples.
도 13은 제1전극과 제2전극 사이에 걸어준 전압(VDS)에 따른 WS2샘플의 암전류(dark current)를 나타낸 것이다. 3kV 전자빔 처리된 샘플의 암전류값이 가장 높게 나타났으며, 상기 암전류값이 광반응성과 직접적인 연관이 없는 점에서 저항값이 가장 낮은 샘플이 광전류도 높게 생성하기 때문에 높은 광반응성을 보였음을 확인할 수 있다.13 shows the dark current of the WS 2 sample according to the voltage (V DS ) applied between the first electrode and the second electrode. The dark current value of the sample treated with 3 kV electron beam was the highest, and since the dark current value was not directly related to the photoreactivity, it was confirmed that the sample with the lowest resistance value exhibited high photoreactivity due to high photocurrent .
따라서, 본 발명의 도 6 내지 도 13의 결과로부터 본 발명에 따른 포토디텍터는 전이금속 칼코겐화합물을 이용하여 광흡수층을 형성함에 따라, 우수한 광반응성을 나타냄을 확인할 수 있다. Therefore, from the results of FIGS. 6 to 13 of the present invention, it can be confirmed that the photodetector according to the present invention exhibits excellent photoreactivity by forming a light absorption layer using a transition metal chalcogenide compound.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It is to be understood that the invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.
10 : 기판
20 : 광흡수층
30 : 제1전극
40 : 제2전극10: substrate
20: light absorbing layer
30: first electrode
40: second electrode
Claims (7)
(b) 상기 기판 상에 스퍼터링 공정으로 10층 이하의 전이금속 칼코겐화합물을 증착하여, 전이금속 칼코겐화합물로 형성된 비정질의 광흡수층을 패터닝하는 단계;
(c) 상기 섀도 마스크를 제거하고, 상기 비정질의 광흡수층이 패터닝된 기판 상에 전자빔을 조사하여 상기 비정질의 광흡수층을 결정화하는 단계; 및
(d) 상기 결정화된 광흡수층 상에 섀도 마스크를 배치하고, 증발법(evaporation)으로 제1전극 및 제2전극을 서로 이격되도록 패터닝한 후, 상기 섀도 마스크를 제거하는 단계;를 포함하고,
상기 스퍼터링 공정은 RF 파워 5~20W, 공정 압력 5~20mTorr에서 수행되며,
상기 전자빔 조사는 DC 파워 50~3000V에서 수행되는 것을 특징으로 하는 포토디텍터의 제조 방법.
(a) forming an insulating film on a substrate and disposing a shadow mask on the insulating film;
(b) depositing ten or less transition metal chalcogen compounds on the substrate by a sputtering process to pattern an amorphous light absorbing layer formed of a transition metal chalcogenide compound;
(c) removing the shadow mask and crystallizing the amorphous light absorbing layer by irradiating an electron beam onto the substrate on which the amorphous light absorbing layer is patterned; And
(d) disposing a shadow mask on the crystallized light absorbing layer, patterning the first electrode and the second electrode to be spaced apart from each other by evaporation, and removing the shadow mask,
The sputtering process is performed at an RF power of 5 to 20 W and a process pressure of 5 to 20 mTorr,
Wherein the electron beam irradiation is performed at a DC power of 50 to 3000V.
상기 제1전극 및 제2전극은 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중 1종 이상의 금속, 또는 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 중 1종 이상의 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 포토디텍터의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The first electrode and the second electrode may be formed of a metal such as Au, Ag, Cr, Ti, Cu, Al, Ta, At least one metal selected from the group consisting of tungsten (W), nickel (Ni), palladium (Pd) and platinum (Pt) or at least one of indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide Wherein the photodetector is formed on the substrate.
상기 전이금속 칼코겐화합물에 포함되는 전이금속은 Mo, W, Sn, Zr, Ni, Ga, In, Bi, Hf, Re, Ta 및 Ti 중에서 선택되고,
상기 전이금속 칼코겐화합물에 포함되는 칼코겐 원소는 S, Se 및 Te 중에서 선택되는 것을 특징으로 특징으로 하는 포토디텍터의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The transition metal contained in the transition metal chalcogenide compound is selected from Mo, W, Sn, Zr, Ni, Ga, In, Bi, Hf, Re,
Wherein the chalcogen element contained in the transition metal chalcogenide compound is selected from S, Se and Te.
상기 스퍼터링 공정 및 전자빔 조사는 600℃ 이하의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 포토디텍터의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the sputtering process and the electron beam irradiation are performed at a temperature of 600 DEG C or less.
상기 스퍼터링 공정은 증착 시간 1~20분 동안 수행되고,
상기 전자빔 조사는 RF 파워 50~300W, 조사 시간 0.5~20분으로 수행되는 것을 특징으로 하는 포토디텍터의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The sputtering process is performed for a deposition time of 1 to 20 minutes,
Wherein the electron beam irradiation is performed at an RF power of 50 to 300 W and an irradiation time of 0.5 to 20 minutes.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170152942A KR101957730B1 (en) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Method of mamufacturing photodetector using transition metal dichalcogenide |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170152942A KR101957730B1 (en) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Method of mamufacturing photodetector using transition metal dichalcogenide |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101957730B1 true KR101957730B1 (en) | 2019-03-13 |
Family
ID=65762159
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170152942A KR101957730B1 (en) | 2017-11-16 | 2017-11-16 | Method of mamufacturing photodetector using transition metal dichalcogenide |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101957730B1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210053538A (en) * | 2019-11-04 | 2021-05-12 | 충북대학교 산학협력단 | Preparation method of transition metal chalcogenide thin film, and photo diode comprising transition metal chalcogenide thin film prepared by the method |
| CN112864301A (en) * | 2019-11-28 | 2021-05-28 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Application of transition metal oxide in photo-thermal detector |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101366745B1 (en) * | 2012-10-25 | 2014-02-26 | 한국생산기술연구원 | Method of manufacturing solar cell including crystallizing process for large area using electron beam for p-type silicon thin film formed by physical vapor deposition and solar cell manufactured by the same |
| KR20140037703A (en) * | 2012-09-19 | 2014-03-27 | 경희대학교 산학협력단 | Transition metal dichalcogenides device formed by re-crystallization and transistor device using the same |
| KR20170098053A (en) * | 2016-02-19 | 2017-08-29 | 경희대학교 산학협력단 | Transition metal dichalcogenide thin film transistor and method of manufacturing the same |
-
2017
- 2017-11-16 KR KR1020170152942A patent/KR101957730B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140037703A (en) * | 2012-09-19 | 2014-03-27 | 경희대학교 산학협력단 | Transition metal dichalcogenides device formed by re-crystallization and transistor device using the same |
| KR101366745B1 (en) * | 2012-10-25 | 2014-02-26 | 한국생산기술연구원 | Method of manufacturing solar cell including crystallizing process for large area using electron beam for p-type silicon thin film formed by physical vapor deposition and solar cell manufactured by the same |
| KR20170098053A (en) * | 2016-02-19 | 2017-08-29 | 경희대학교 산학협력단 | Transition metal dichalcogenide thin film transistor and method of manufacturing the same |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210053538A (en) * | 2019-11-04 | 2021-05-12 | 충북대학교 산학협력단 | Preparation method of transition metal chalcogenide thin film, and photo diode comprising transition metal chalcogenide thin film prepared by the method |
| KR102278187B1 (en) * | 2019-11-04 | 2021-07-16 | 충북대학교 산학협력단 | Preparation method of transition metal chalcogenide thin film, and photo diode comprising transition metal chalcogenide thin film prepared by the method |
| CN112864301A (en) * | 2019-11-28 | 2021-05-28 | 中国科学院大连化学物理研究所 | Application of transition metal oxide in photo-thermal detector |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107833940B (en) | Photoelectronic device based on two-dimensional molybdenum disulfide-rhenium disulfide heterojunction, preparation method and application | |
| Vinayakumar et al. | Copper antimony sulfide thin films for visible to near infrared photodetector applications | |
| US6509066B1 (en) | Sensitized photoconductive infrared detectors | |
| US20130269764A1 (en) | Back Contact Work Function Modification for Increasing CZTSSe Thin Film Photovoltaic Efficiency | |
| KR101957730B1 (en) | Method of mamufacturing photodetector using transition metal dichalcogenide | |
| Ristova et al. | XPS profile analysis on CdS thin film modified with Ag by an ion exchange | |
| CN106876515A (en) | Visible blind photodetector of thin-film transistor structure and preparation method thereof | |
| Yiğit Gezgin et al. | Determination of electrical parameters of ITO/CZTS/CdS/Ag and ITO/CdS/CZTS/Ag heterojunction diodes in dark and illumination conditions | |
| JPH1074967A (en) | Thin-film solar cell | |
| Kumari et al. | Thickness dependent structural, morphological and optical properties of molybdenum oxide thin films | |
| Sathyalatha et al. | Electrical and photoconducting properties of vacuum evaporated pure and silver-doped CdSe films | |
| KR101751977B1 (en) | Mehod of doping for two dimensional semiconductor | |
| KR102236186B1 (en) | Method for manufacturing photodetector using metal nanoparticles and transition metal chalcogen compounds | |
| WO2018104943A1 (en) | Photovoltaic cell and method of fabrication thereof | |
| KR102301846B1 (en) | Method of mamufacturing transition metal dichalcogenide thin film and method of mamufacturing electronic device using the same | |
| CN116895705A (en) | Interdigital graphene type InGaN visible light detector and preparation method thereof | |
| Tafti et al. | Thermal annealing influence over optical properties of thermally evaporated SnS/CdS bilayer thin films | |
| KR101807118B1 (en) | PV Device with Graded Grain Size and S:Se Ratio | |
| Bhushan et al. | Photoconductivity of chemically deposited CdS: Y films | |
| KR101848182B1 (en) | Method for manufacturing back contact solar cells | |
| KR102038552B1 (en) | Method of mamufacturing field-effect transistor using transition metal dichalcogenide | |
| KR20090060145A (en) | Method for manufacturing n-type and p-type chalcogenide material, doped homojunction chalcogenide thin film transister and method of fabricating the same | |
| KR100833517B1 (en) | Optoconductive compound and method of producing the same | |
| KR101521450B1 (en) | Method for manufacturing CIGS Thin Film Using Non-selenization Sputtering Process with CuSe2 Target | |
| JP4945420B2 (en) | Photoelectric material and method for producing the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| AMND | Amendment | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |