KR102143778B1 - 차원 혼합 포토 다이오드를 포함한 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
실시예들은 차원 혼합 포토 다이오드를 픽셀 단위 소자로 갖는 이미지 센서에 관련된다. 상기 이미지 센서는 광 신호에 응답하여 전기적 신호를 생성하는 포토 다이오드 - 상기 포토 다이오드는 차원 반도체 물질과 2차원 반도체 물질 간의 계면이 형성된 차원 혼합 구조를 가짐; 상기 포토 다이오드가 배치된 패널; 및 상기 포토 다이오드의 전기적 신호를 수신하여 이미지 구동 신호를 출력하는 구동회로를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 나노 와이어 형태로 형성된 1차원 반도체 물질 및 나노 시트 형태로 형성된 2차원 반도체 물질이 이종 접합(heterojunction)된 차원 혼합(Mixed-dimensional) 포토 다이오드를 단위 픽셀 소자로 갖는 이미지 센서에 관련된다.
얇고 우수한 물리적 특성을 갖는 그래핀이 발견된 이후, 2차원 물질에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 최근에는 그래핀은 물론, 그래핀 이외의 다양한 2차원 합성 물질(예컨대, MoS2, MoTe2, WSe2, SnS2, SnSe2, BP(Black phosphorus) 등)에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다.
상기 다양한 2차원 합성 물질은 전계 효과 트랜지스터, 논리 회로, 발광 다이오드, 포토 트랜지스터, 및 포토 다이오드 등 다양한 전자소자, 광전소자에 대해 활용될 수 있는 유용한 물질이다.
그러나, 이러한 2차원 합성 물질을 이미지 센서에 활용하기 위해서는, 1) 현재 사용되고 있는 실리콘 또는 III-V 화합물을 대체할 정도의 고속 동작이 가능해야 하고, 2) 도핑에 의한 캐리어 타입 및 농도의 제어가 용이해야 하며, 그리고 3) 넓은 영역 전체에서 고품질의 2차원 층 구조를 형성하도록 제조해야 하는 문제점을 극복해야 한다.
Michele Buscema et al., "Photovoltaic effect in few-layer black phosphorus PN junctions defined by local electrostatic gating"(2014.08.28.)
Atiye Pezeshki et al., "Electric and Photovoltaic Behavior of a Few-Layer α-MoTe2/MoS2 Dichalcogenide Heterojunction"(2016.02.29.)
본 발명의 일 측면에 따르면, 1차원 나노선 반도체 소자 및 2차원 나노시트 반도체 소자가 이종 접합(heterojunction)된 차원 혼합 구조를 갖는 포토 다이오드를 단위 픽셀 소자로 포함하는 이미지 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 차원 혼합 포토 다이오드를 픽셀 단위 소자로 갖는 이미지 센서는, 광 신호에 응답하여 전기적 신호를 생성하는 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드가 배치된 패널; 및 상기 포토 다이오드의 전기적 신호를 수신하여 이미지 구동 신호를 출력하는 구동회로를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 포토 다이오드는 차원 반도체 물질과 2차원 반도체 물질 간의 계면이 형성된 차원 혼합 구조를 진다.
일 실시예에서, 상기 포토 다이오드는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 1차원 반도체 물질; 상기 1차원 반도체 물질 상에 형성된 2차원 반도체 물질; 및 상기 기판 상에 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 2차원 반도체 물질의 반도체 특성은 상기 1차원 반도체 물질의 특성과 상이하다.
일 실시예에서, 상기 2차원 반도체 물질은 시트 형태로 형성되고, 상기 1차원 반도체 물질은 와이어 형태로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 1차원 반도체 물질은 ZnO를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2차원 반도체 물질은 WSe2를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 포토 다이오드는 상기 1차원 반도체 물질 및 2차원 반도체 물질이 접촉된 영역에서 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이미지 센서는 상기 기판, 1차원 반도체 물질 및 2차원 반도체 물질 중 하나 이상의 반도체 물질 상에 형성된 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 전자 쌍극자 효과를 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 패시베이션층은 비정질 플루오르 폴리머를 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 Au, Ti 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 소스 전극 및 드레인 전극은 상기 1차원 반도체 물질 상에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기판은 SiO2/p+-Si를 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 광 응답 특성이 우수하고 높은 정공 이동도를 갖는 2차원 반도체 물질(예컨대, WSe2(텅스텐 디셀레나이드))과, 우수한 전자 이동도를 갖는 1차원 반도체 물질(예컨대, ZnO(산화 아연))가 계면을 형성하는 이종 접합 구조를 갖는 차원 혼합 포토 다이오드를 단위 픽셀 소자로 가진다.
1차원 반도체 물질은 2차원 반도체 물질과 비교하여 긴 길이를 보다 쉽게 형성할 수 있어, 균일 품질로 대면적화된 이미지 센서를 얻을 수 있다. 즉, 균일 품질의 대면적화가 어려운 시트형태의 2차원 반도체 물질 소자의 한계를 극복할 수 있다.
특히, 이미지 센서의 차원 혼합 포토 다이오드를 제조하는데 있어 화학 증기 증착법(CVD)에 의해 손쉽게 얻을 수 있는 나노 와이어형 ZnO이 사용될 경우, 기존의 Si, Ge 반도체 소재, III-V 화합물 기반 반도체 소재를 나노 와이어형으로 합성하는 경우와 달리, MBE(Molecular beam epitaxy)와 같은 고가의 진공 장비가 필요하지 않다.
이와 같이 제조된 차원 혼합 포토 다이오드는 근적외선(950nm)에서 청색광(400nm) 범위의 빛에 반응하여 광전류를 생성할 수 있어, 상기 이미지 센서는 넓은 광 응답 영역을 가진다.
또한, 1차원 반도체 물질(120) 및 2차원 반도체 물질(130)은 나노 단위로 형성할 수 있어, 이미지 센서(1)는 제한된 면적 내에서 고픽셀 구조를 구현할 수 있다.
추가적으로, 상기 차원 혼합 포토 다이오드는 비정질 불소 폴리머(amorphous fluoropolymer)(예컨대, CYTOP 등)을 포함한 물질로 이루어진 패시베이션층을 더 포함할 수 있다. 상기 패시베이션층은 차원 혼합 포토 다이오드에 추가적인 전기 쌍극자 모멘트를 제공할 수 있어, 다이오드의 정공 밀도를 향상시키는 효과를 가질 수 있다. 그 결과, 보다 전기적 성능이 우수한 차원 혼합 포토 다이오드를 제공할 수 있다.
더욱이, 상기 페시베이션층은 외부 환경에 존재하는 분자들로부터 다이오드 내 구성요소들을 보호할 수 있어, 차원 혼합 포토 다이오드는 기존 알려진 이차원 반도체 물질 기반 포토 다이오드 보다 더 강한 안정성을 가질 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 이미지 센서의 차원 혼합 포토 다이오드의 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 제조 과정을 설명하기 위한 광학 현미경 이미지도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 형성된 2차원 반도체 물질을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실험예에 따른 패시베이션층의 유무에 따른 차원 혼합 포토 다이오드의 전기적 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7g는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 광 검출 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실험예에 따른, 도 1의 이미지 센서를 통해 획득한 이미지를 나타낸 도면이다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 이미지 센서의 차원 혼합 포토 다이오드의 개념도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 제조 과정을 설명하기 위한 광학 현미경 이미지도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 형성된 2차원 반도체 물질을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실험예에 따른 패시베이션층의 유무에 따른 차원 혼합 포토 다이오드의 전기적 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7g는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 광 검출 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실험예에 따른, 도 1의 이미지 센서를 통해 획득한 이미지를 나타낸 도면이다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 확정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것이지, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명 및 첨부 된 특허청구의 범위에서 사용되는 단수 표현은 아래위 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현도 포함하는 것을 의도한다. 또한 본 발명에서 사용한 “및/또는”이라는 용어에 대해서는 하나 또는 복수의 관련되는 열거한 항목들의 임의 또는 모든 가능한 조합들을 포함하는 것으로 이해 하여야 한다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 수반되지 않는다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90° 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
이미지 센서(1)는 차원 혼합 포토 다이오드(10)를 픽셀 단위 소자로 가진다.
일 실시예에서, 이미지 센서(1)는 광 신호에 응답하여 전기적 신호를 생성하는 포토 다이오드; 상기 포토 다이오드가 배치된 패널; 및 상기 포토 다이오드의 전기적 신호를 수신하여 이미지 구동 신호를 생성하고, 이를 출력하는 구동회로를 포함한다, 일 예에서, 구동회로는 하나이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
즉, 이미지 센서(1)는 차원 혼합 포토 다이오드(10)가 빛을 감지하여 전기 신호로 변환하고, 구동회로를 통해 상기 전기 신호를 처리하도록 구성된다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 이미지 센서(1)는 CMOS 형 이미지 센서로 구현될 수 있다. 이 경우, 이미지 센서(1)는 광감지 패널(20), 수직 신호선 구동회로(30) 및 수평 신호선 구동회로(40)를 포함하며, 광감지 패널(20) 상에는 수직 신호선 및 수평 신호선이 배치되고, 단위 픽셀 소자(10)는 수직 신호선 및 수평 신호선이 교차하는 지점에 배치되도록 구성될 수 있다.
그러나, 차원 혼합 포토 다이오드(10)를 단위 픽셀 소자로 갖는 이미지 센서(1)의 구조는 이에 제한되지 않으며, CCD(Charge Coupled Device) 등과 같은 다양한 이미지 센서로 구현될 수 있다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 기판(110); 기판(110) 상에 형성된 1차원 반도체 물질(120); 1차원 반도체 물질(120) 상에 형성된 2차원 반도체 물질(130); 및 기판(110) 상에 형성된 하나 이상의 전극을 포함한다. 예를 들어, 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 소스 전극 및 드레인 전극으로 동작하는 제1 전극 및 제2 전극(141, 142)을 포함할 수 있다. 또한, 제1, 제2 전극과 상이한 제3 전극(150)을 더 포함할 수 있다. 또한, 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 패시베이션층(160)을 더 포함할 수도 있다.
기판(110)은 차원 혼합 포토 다이오드(10)를 지지하는 구성요소이다. 일 실시예에서, 기판(110)은 실리콘(Si) 및 실리콘 산화물을 포함한 그룹에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 실리콘 산화물이 코팅된 실리콘 기판(SiO2/p+-Si)일 수 있다. 상기 기판(110)은 차원 혼합 포토 다이오드(10)의 하부 게이트 유전체 및 게이트 전극으로 동작할 수 있다.
1차원 반도체 물질(120)은 기판(110) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 1차원 반도체 물질(120)은 와이어 형태로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 와이어형 1차원 반도체 물질(120)은 직경이 나노미터 단위로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 1차원 반도체 물질(120)은 ZnO를 포함한다.
따라서, 상기 공기 중의 안정성이 다른 1차원 반도체들(Si, Ge, III-V 족 반도체)에 비해 공기 중의 반응성이 낮아 안정하고, 공정의 편의성, 가격성 측면에서 높은 장점을 가진다. 또한, 포토 다이오드가 2차원 반도체 물질로만 구성된 경우에 비해 균일한 나노선 대면적 공정이 용이한 장점이 있어, 다양한 전자 기기에 적용함에 있어 넓은 활용도를 가질 수 있다.
2차원 반도체 물질(130)은 기판(110) 상에 형성된다. 일 실시예에서, 2차원 반도체 물질(130)은 시트 형태로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 시트형 2차원 반도체 물질(130)은 단결정의 2차원 나노구조를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 2차원 반도체 소자는 반데르발스 힘으로 결합된 원자의 판상구조(원자막)를 가지며, 2차원 양자구속 효과와 함께 높은 전하 이동도와 밴드갭 튜닝이 가능하다.
또한 결함이 없는 표면을 형성하기 때문에 기존 벌크 소재나 박막 소재로는 구현이 어려운 이종 차원/이종 물질간의 차원 혼합을 통한 이종 접합 구조를 용이하게 구현할 수 있다.
일 실시예에서, 2차원 반도체 물질(130)은 2차원 반도체 물질(130)은 WSe2(텅스텐 디셀레나이드)를 포함한다.
상기 1차원 반도체 물질(120)과 2차원 반도체 물질(130)은 서로 다른 극성을 갖도록 구성된다. 일 예에서, 1차원 반도체 물질(120)이 n형 반도체 특성을 갖도록 구성된 경우, 2차원 반도체 물질(130)은 p형 반도체 특성을 갖도록 구성된다. 다른 일 예에서, 1차원 반도체 물질(120)이 p형 반도체 특성을 갖도록 구성된 경우, 2차원 반도체 물질(130)은 n형 반도체 특성을 갖도록 구성된다.
이러한 1차원 반도체 물질(120)과 2차원 반도체 물질(130)은 계면을 형성하도록 배치된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 2차원 반도체 물질(130)은 1차원 반도체 물질(120)의 나노 와이어의 일부 표면상에 증착됨으로써 1차원 반도체 물질(120)과 2차원 반도체 물질(130) 간의 계면이 형성될 수 있다.
결국, 상기 1차원 반도체 물질(120)과 2차원 반도체 물질(130) 간의 계면을 갖는 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 이종 접합 구조를 갖게 된다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 1차원 반도체 물질(120) 및 2차원 반도체 물질(130)을 포함한 도 1의 차원 혼합 포토 다이오드(10)의 동작 원리에 대하여 예시적으로 설명하면 다음과 같다: 2차원 반도체 물질(130)은 빛을 흡수한다. 조명 하에서, 2차원 반도체 물질(130) 내부에서는 기저 상태에서 여기 상태로 전자 전이(즉, 에너지 전이)가 발생하고, 전자 전이에 의해 WSe2에서 전자-정공 쌍이 생성된다. 생성된 전자-정공 쌍은 ZnO-WSe2 계면(interface)에서 해리되고 결과적으로 여기 상태의 전자는 ZnO 전도대(conduction band)로, 그리고 여기 상태의 정공은 WSe2의 원자가대(valence band)로 각각 이동한다. 그 결과, 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 빛에 응답하여 광전류를 생성하게 된다. 생성된 광전류는 흡수된 빛의 특성에 따라 상이하므로, 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 이미지 센서를 제조하는데 활용될 수 있다.
기판(110) 소스 전극 및 드레인 전극으로 동작하는 두 개의 전극(141 및 143)이 배치될 수 있다. 전극(141 및 143)은 1차원 반도체 물질(120)과 전기적 접촉(ohmic contact)하도록 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 전극(141, 143)은 1차원 반도체 물질(120) 상에서 형성됨으로써, 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 도 1에 도시된 바와 같은 전극(141 및 143)은 1차원 반도체 물질(120)에 의해 관통되는 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 전극(141 및 143)은 Au, Ti 및 이들의 조합 중 하나 이상을 포함한 그룹에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전극(141 및 143)은 Au/Ti를 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
또한, 기판(110) 상에 전극(150)이 더 형성될 수 있다. 상기 전극(150)은 2차원 반도체 물질(130)과 전기적 접촉하도록 배치된다. 일 실시예에서, 전극(150)은 Pt를 포함한 물질로 이루어질 수 있다.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 제조 과정을 설명하기 위한 광학 현미경 이미지도이다.
도 3a는 기판(110) 상에 형성된 1차원 반도체 물질(120)과 드레인 전극 및 소스 전극(141, 143)의 광학 현미경 이미지도이다.
우선 기판(110) 상에 1차원 반도체 물질(120)을 형성한다(S10). 상기 1차원 반도체 물질(120)은 기판(미도시) 상에 화학 증기 증착법(CVD)에 의해 성장된 뒤, 기판(110) 상에 전사된다(S10). 일 예에서, 1차원 반도체 물질(120)은 지름은 약 100nm, 길이는 수십 마이크로 미터인 ZnO 나노 와이어로 성장할 수 있다.
1차원 반도체 물질(120)이 성장하는 기판은 기판(110)과 상이한 기판으로서, 일 실시예에서, 상기 기판은 사파이어 기판일 수 있다. 사파이어 기판에서 성장된 1차원 반도체 물질(120)은 적하 및 건조 방법(drop-and-dry method)에 의해 SiO2/p+-Si 기판(110) 상으로 전사된다(S10).
기판(110) 상에 1차원 반도체 물질(120)을 분산(dispersing)시킨 후(S10), 소스 전극 및 드레인 전극(141, 143)을 1차원 반도체 물질(120) 상에 형성한다(S20). 일 실시예에서, 바이레이어 구조를 갖는 Au/Ti 전극(141, 143)은 포토리소그래피(photolithography), 리프트-오프 공정(lift-off process), 및 직류 전자관 스퍼터링 증착(direct current magnetron sputtering deposition)을 이용하여 형성될 수 있다(S20). 일 예에서, Au/Ti 전극(141, 143)은 50/50nm로 형성될 수 있다.
도 4b는 기판(110) 상에 형성된 2차원 반도체 물질(130)과 전극(150)이 더 도시된 광학 현미경 이미지도이다.
단계(S20) 이후, 멀티 레이어 구조를 갖는 WSe2를 포함한 물질로 이루어진 2차원 반도체 물질(130)을 1차원 반도체 물질(120) 상에 형성한다(S30). 일 실시예에서, 단결정 벌크에서 형성하고 박리한 WSe2 나노 시트(130)를 ZnO 나노 와이어(120) 상에 전사한다(S30). 상기 전사 과정은 WSe2 나노 시트(130)의 기계적 박리 및 정확한 정렬을 위해 직접 임프린팅(direct imprinting) 방식으로 수행된다. 이때, 1차원 반도체 물질 및 2차원 반도체 물질(120, 130) 간에 물리적 결합이 유도되어, 서로 강하게 접촉되므로 부정합 또는 트랩 현상을 최소화할 수 있다. 상기 물리적 결합은 반데르발스 힘에 의한 표면 간의 상호작용에 기인한다. 그 결과, 1차원 반도체 물질(120)과 2차원 반도체 물질(130)가 이종 접합된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 형성된 2차원 반도체 물질을 설명하기 위한 도면이다. 단결정 벌크에서 박리하여 형성된 2차원 반도체 물질(130)은 도 5에 도시된 바와 같은 표면 형상 이미지(topographic image)를 가진다. 2차원 반도체 물질(130)의 두께 정보는 AFM(atomic force microscope)를 이용하여 측정될 수 있다. 일 예에서, 도 5는 형성된 WSe2 나노 시트(130)의 두께는 대략 12nm이고, 멀티 레이어 구조임을 보여준다.
추가적으로, 단계(S30) 이후, 2차원 반도체 물질(130)와 접촉하는 전극(150)을 형성할 수 있다(S40). 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 전극(150)은 WSe2 나노 시트(130)의 일측에 접촉하도록 형성된다.
일 실시예에서, 단계(S40)에서 전극(150)은 포토 리소그래피 및 리프트 오프 공정을 통해 패터닝되어 형성될 수 있다. 일 예에서, 전극(150)은 50nm로 패터닝될 수 있다.
이와 같이 제조된 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 광 응답 특성이 우수하고 높은 정공 이동도를 갖는 2차원 반도체 물질(예컨대, WSe2(텅스텐 디셀레나이드))과, 우수한 전자 이동도를 갖는 1차원 반도체 물질(예컨대, ZnO(산화 아연))가 계면을 형성하는 이종 접합 구조를 가진다.
특히, 차원 혼합 포토 다이오드를 제조하는데 있어 화학 증기 증착법(CVD)에 의해 손쉽게 얻을 수 있는 나노 와이어형 ZnO이 사용되므로, 기존의 Si, Ge 반도체 소재, III-V 화합물 기반 반도체 소재를 나노 와이어형으로 합성하는 경우와 달리, MBE(Molecular beam epitaxy)와 같은 고가의 진공 장비가 필요하지 않아, 생산 비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상대적으로 긴 길이를 형성하기 용이한 1차원 반도체 물질을 이용하여 제조되므로, 균일 품질의 대면적화가 어려운 2차원 반도체 물질 기반의 포토 다이오드의 한계를 극복할 수 있다.
일 실시예에서, 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 패시베이션층(160)을 더 포함할 수 있다. 상기 패시베이션층(160)은 1차원 반도체 물질(120) 및/또는 2차원 반도체 물질(130) 상에 형성된다. 상기 패시베이션층(160)은 외부 환경에 1차원 반도체 물질(120) 및 2차원 반도체 물질(130)이 노출되지 않게 하여 차원 혼합 포토 다이오드(10)가 외부 노출 분자에 반응하지 않고 빛에만 반응하게 한다.
패시베이션층(160)은 전기 쌍극자 모멘트(electric dipole moment)를 갖는 물질로 이루어 질 수 있다. 유기 또는 고분자 유전체 물질의 전기 쌍극자(electrostatic dipoles)는 반도체 물질에서 전하 농도에 영향을 미칠 수 있다. 패시베이션층(160)은 전기 쌍극자 효과에 의해서, 패시베이션층(160)의 하부에 위치한 1차원 반도체 물질(120) 및 2차원 반도체 물질(130)을 도핑할 수 있어, 차원 혼합 포토 다이오드(10)의 성능이 향상될 수도 있다.
일 실시예에서, 패시베이션층(160)은 불소 폴리머(fluoropolymer)를 포함한 물질로 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 패시베이션층(160)은 (예컨대, CYTOP과 같은) 비정질 불소 폴리머(amorphous fluoropolymer)를 포함한 물질로 이루어질 수도 있다.
상기 C-F 결합은 가장 강한 정전기 쌍극자 모멘트를 가진다. 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 패시베이션층(160) 내의 C-F 쌍극자가 증가할수록 p형 반도체 특성을 갖는 2차원 반도체 물질(130)에서의 정공 농도가 증가하게 된다. 즉, 불소 폴리머로 이루어진 패시베이션층(160)은 2차원 물질(130)에 정공을 추가 도핑하는 결과를 낳게 되고, 결국 차원 혼합 포토 다이오드(10)의 성능이 향상된다. 상기 패시베이션층(160)의 효과는 아래의 도 6에 의해 뒷받침된다.
도 6a 내지 도 6d는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 패시베이션층의 유무에 따른 차원 혼합 포토 다이오드의 전기적 성능을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 차원 혼합 포토 다이오드(10)의 전극(141, 143)은 소스 전극 및 드레인 전극으로 동작하고, SiO2/p+-Si 기판(110)은 하부 게이트 유전체 및 게이트 전극으로 동작한다. 1차원 반도체 물질(120)로는 n형 ZnO 단결정 나노 와이어가 사용되었고, 2차원 반도체 물질(130)로는 p형 WSe2 나노 시트가 사용되었다.
도 6a 및 도 6b는 백 게이트 바이어스(VBG = 5 내지 -20V) 조건 하에서 패시베이션층(160)의 유무에 따른 차원 혼합 포토 다이오드(10)의 전류-전압(I-V) 특성을 보여준다.
도 6a는 CYTOP 패시베이션층(160)이 형성되기 전의 차원 혼합 포토 다이오드(10)가 0V의 VBG에서 10-9A 정도의 낮은 온 전류(on-current, 이하, “”를 갖는 것을 보여준다. 5V의 양의 VBG 하에서 ION은 대략 10-10A 정도로 감소된다. 이와 대조적으로, -5에서 -10V로 VBG가 감소하면 ION이 3.9× 10-8A까지 증가한다. 그러나, VBG를 -20V로 더 감소시키면 ION이 약간 감소한다.
또한, 이상성 계수(ideality factor)는 VBG=5V 조건하에서 14.2, VBG=0V 조건하에서 5.8, VBG=-10V에서 4.3, 그리고 VBG=-20V 조건하에서 5.9로 각각 산출된다. 그리고 최고 정류 (ON/OFF) 비율은 VBG=-10V 조건하에서 대략 104이다.
반면, 도 6b는 CYTOP 패시베이션층(160)이 형성된 후의 차원 혼합 포토 다이오드(10)가 대략 10-6A의 최대 ION을 갖는 것을 보여준다. 그리고 최고 정류 (ON/OFF) 비율은 VBG가 -10V 및 -15V 조건 하에서 106 이상이다. 또한, CYTOP 패시베이션층(160)을 포함한 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 3.4 내지 3.6으로 향상된 이상성 계수를 가진다.
즉, CYTOP 패시베이션층(160) 내부의 C-F 결합의 전기 쌍극자 효과에 의해, 패시베이션층(160)이 형성된 후의 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 훨씬 향상된 성능을 가진다.
구체적으로, P형 WSe2 나노 시트(130)와 비교할 때, n형 ZnO 단결정 나노 와이어(120)가 더 전도성이 있다. CYTOP 패시베이션층(160) 형성 이전에, ZnO 나노 와이어(120)는 -50V 미만의 턴온 전압으로 심각한 공핍 모드 동작을 가진다. 그러나, CYTOP 패시베이션층(160) 형성 이후에 ZnO 나노 와이어(120)는 (대략 30V까지의) 큰 양(positive)의 변화를 가진다. 이는 n형 전도의 억제의 결과와 일치한다.
대조적으로, WSe2 나노 시트(130)의 정공 농도는 C-F 쌍극자에 의해 증가한다. 결과적으로, 차원 혼합 포토 다이오드(10) 내 전자-정공 농도가 균형을 이루게 되어 소자 성능이 향상된다.
도 6c 및 도 6d는 역 바이어스(VA=5V)에서 백 게이트 바이어스(VBG)의 함수로서 표현되는 ION을 패시베이션층(160)의 유무에 따라 도시한 도면이다. 도 6c 및 도 6d의 ION와 백 게이트 바이어스(VBG) 간의 관계에 기초할 때, 위의 전자-정공 농도의 균형과 관련된 설명이 뒷받침된다.
CYTOP 패시베이션층(160)이 형성된 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 도 5d에 도시 된 바와 같이, 상기 장치는 VBG = -10 및 -15V 사이에서 10-6A 정도의 가장 높은 ION 피크를 가진다. 이러한 VBG 범위에 기초하여, 균형잡힌 전자-정공 농도에 대한 최적 조건이 결정될 수도 있다.
도 7a 내지 도 7g는, 본 발명의 일 실험예에 따른, 차원 혼합 포토 다이오드의 광 검출 성능을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 CYTOP 패시베이션층(160)을 포함하거나 포함하지 않은 차원 혼합 포토 다이오드(10)에 발광 다이오드를 이용하여 근적외선(NIR(Near Infrared Radiation), 950 nm), 적색광(R, 620 nm), 녹색광(G, 520 nm), 청색광(B, 470nm) 및 자외선(UV(ultraviolet ray), 400nm)을 조사하고, 반도체 파라미터 분석기(미도시)를 이용하여 광 검출 성능을 분석한 결과를 보여준다.
차원 혼합 포토 다이오드(10)에 광이 조사되는 경우, 1.3eV의 멀티 레이어에 대한 에너지 밴드 갭을 갖는 WSe2 나노 시트(130)만이 위의 광대역 광에 대해 응답한다. 왜냐하면 ZnO는 넓은 밴드 갭을 갖는 산화물 반도체이기 때문이다. (대략 3.3eV 에너지 밴드 갭은 376nm 파장에 대응한다.) 도 2를 참조하여 차원 혼합 포토 다이오드(10)의 동작 원리에 대해 전술한 바와 같이, 결과적으로 WSe2 나노 시트(130)에서 전자-정공 쌍이 생성되고, 전자와 정공이 각각 ZnO 전도대와 WSe2 원자가대로 이동하여 광 전류를 생성하게 된다.
도 7b 및 도 7c는 적색광(620nm) 및 NIR(950nm) 조명 하에서 CYTOP 패시베이션층(160)의 유무에 따른 차원 혼합 포토 다이오드(10)의 광유도 I-V 특성을 보여준다. 도 7b 및 도 7c를 비교하면, CTYOP 패시베이션층(160)을 포함한 차원 혼합 포토 다이오드(10)가 더 높은 광 전류를 가진다. 특히, C-F 전자 쌍극자 효과에 의해 NIR 광에 높은 응답성을 가진다.
도 7d는 1Hz 주기의 적색광(620nm) 및 NIR(950nm) 조명 하에서 -5V의 일정한 역바이어스(VA)를 가한 경우 광 전류의 동작을 보여준다. 여기서, 발광 다이오드는 외부 파형 발생기(function generator)에 의해 온/오프가 제어될 수 있다.
도 7d에 도시된 바와 같이 CYTOP 패시베이션층(160)을 포함한 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 명백한 광전류 스위칭 동작이 가능하다. 특히, 상승 및 하강 시간은 50ms 미만으로 측정되어, 종래의 2D-2D 나노 시트 이종 접합 포토 다이오드(비특허문헌 1-2)에 비해 고속 스위칭이 가능하다.
차원 혼합 포토 다이오드(10)는 도 7e 내지 도 7g에 도시된 바와 같이, 녹색광(G), 청색광(B) 및 자외선(UV) 조명에 대해 매우 분명한 광 반응을 가진다. 이와 같이, 차원 혼합 포토 다이오드(10)는 ZnO-WSe2 이종 접합 구조로 구성되어, 대략 400nm 내지 950nm인 파장을 갖는 광신호를 검출할 수 있다. 즉, 자외선 영역 내지 근적외선 영역까지의 넓은 분광 광검출 성능을 가진다.
또한, 차원 혼합 포토 다이오드(10)를 이용하면 고품질의 이미지 센서를 제조할 수 있다.
도 8은, 본 발명의 실험예에 따른, 도 1의 이미지 센서를 통해 획득한 이미지를 나타낸 도면이다.
도 8a의 실험예는 적색(예컨대, 635nm의 파장), 녹색(예컨대, 532nm의 파장), 및 청색(예컨대, 473nm) 광을 광원으로 사용하고, 각각의 광원에서 방출되는 광은 “PHOTONICS”로 패터닝된 오버 헤드 프로젝터(OHP) 이미지 마스크를 통해 이미지 센서(1)로 진행한다.
이미지 센서(1)는 x-y 평면 이동 가능한 스테이지에 장착되고, 도 8a에 도시된 방향으로 움직이면서 이미지 정보를 획득하였다.
전술한 바와 같이 이미지 센서(1)의 단위 픽셀 소자인 차원 혼합 포토 다이오드(10)가 적색광, 청색광, 및 녹색광 모두에 반응하여 전류를 생성하므로, 도 8b에 도시된 바와 같은 이미지를 얻을 수 있다.
도 8을 참조할 때, 본 발명의 이미지 센서(1)는 청색광, 적색광, 녹색광 및 이들의 조합을 포함한 빛(예컨대, 백색광)에도 반응하여 이미지 정보를 출력할 수 있는 것이 명백할 것이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 이미지 센서(1)는 1차원 반도체 물질(120) 및 2차원 반도체 물질(130) 간의 이종 접합 구조를 갖는 차원 혼합 포토 다이오드(10)를 이용함으로써, 2차원 반도체 물질 기반 소자의 한계를 극복할 수 있다.
또한, 1차원 반도체 물질(120) 및 2차원 반도체 물질(130)은 나노 단위로 형성할 수 있어, 이미지 센서(1)는 제한된 면적 내에서 고픽셀 구조를 구현할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
Claims (12)
- 차원 혼합 포토 다이오드를 픽셀 단위 소자로 갖는 이미지 센서에 있어서,
광 신호에 응답하여 전기적 신호를 생성하는 포토 다이오드 - 상기 포토 다이오드는 1차원 반도체 물질과 2차원 반도체 물질 간의 계면이 형성된 차원 혼합 구조를 가지고, 상기 1차원 반도체 물질은 ZnO를 포함하고, 상기 2차원 반도체 물질은 WSe2를 포함함;
상기 포토 다이오드가 배치된 패널; 및
상기 포토 다이오드의 전기적 신호를 수신하여 이미지 구동 신호를 출력하는 구동회로를 포함하되,
상기 2차원 반도체 물질은 단결정 2차원 나노구조를 갖는 시트 형태로 형성되고, 상기 1차원 반도체 물질은 와이어 형태로 형성되고,
상기 계면은 상기 2차원 반도체 물질로 형성된 시트가 상기 1차원 반도체 물질로 형성된 와이어의 표면 상에 전사되어 형성된 곡면 계면인 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항에 있어서, 상기 포토 다이오드는,
기판;
상기 기판 상에 형성된 1차원 반도체 물질;
상기 1차원 반도체 물질 상에 형성된 2차원 반도체 물질 - 상기 2차원 반도체 물질의 반도체 특성은 상기 1차원 반도체 물질의 반도체 특성과 상이함; 및
상기 기판 상에 배치된 소스 전극 및 드레인 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 포토 다이오드는 상기 1차원 반도체 물질 및 2차원 반도체 물질이 접촉된 영역에서 빛을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 포토 다이오드는,
기판, 그리고 1차원 반도체 물질 및 2차원 반도체 물질 중 하나 이상의 반도체 물질 상에 형성된 패시베이션층을 더 포함하는 이미지 센서.
- 제7항에 있어서,
상기 패시베이션층은 전자 쌍극자 효과를 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제8항에 있어서,
상기 패시베이션층은 비정질 플루오르 폴리머를 포함한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 Au, Ti 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제10항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 상기 1차원 반도체 물질 상에 형성된 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
- 제2항에 있어서,
상기 기판은 SiO2/p+-Si를 포함한 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 이미지 센서.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20230104302A (ko) | 2021-12-30 | 2023-07-10 | 숭실대학교산학협력단 | 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법 |
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| KR20160077459A (ko) * | 2014-12-23 | 2016-07-04 | 전자부품연구원 | 금속나노와이어 전극제조방법 |
| KR102441586B1 (ko) | 2015-06-17 | 2022-09-07 | 삼성전자주식회사 | 광전자소자 |
-
2018
- 2018-10-19 KR KR1020180125385A patent/KR102143778B1/ko active IP Right Grant
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