KR102238110B1 - 광검출기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광검출기에 관한 것이다. 본 발명의 광검출기는 전도성 기판, 상기 전도성 기판 상에 형성되어 있는 절연층, 상기 절연층 상단의 일부에 형성되고, 하나의 층으로 형성된 단층 그래핀, 상기 절연층 상단의 다른 일부에 형성되고, 복수의 층으로 형성된 다층 그래핀, 상기 단층 그래핀의 끝단에 형성된 제 1 전극, 및 상기 다층 그래핀의 끝단에 형성된 제 2 전극을 포함한다.

Description

광검출기{PHOTO DETECTOR}
본 발명은 광검출기에 관한 것으로, 특히 단층 그래핀과 다층 그래핀의 주기적인 배열을 이용하여 입사되는 광을 검출하는 그래핀 광검출기에 관한 것이다.
양단에 위치한 금속을 서로 다른 이종으로 형성하는 구조를 갖는 광검출기들이 있다. 이러한 광검출기는 이종의 금속 전극을 가짐으로 다단계의 포토 리소그래피(photo lithography)나 리프트 오프(lift-off)와 같은 공정을 추가로 필요로 한다.
그래핀들 사이에 나노파티클(nanoparticle)을 삽입하여 그래핀 나노파티클 사이에 광이 조사될 때 생성되는 캐리어의 흐름을 이용한 그래핀 광검출기가 있다. 이러한 광검출기는 그래핀 상이 나노 파티클을 형성해야 하는 부가적인 공정을 필요로 한다. 또한, 그래핀 나노파티클 사이의 상호 작용에 반응하는 특정 파장의 광만을 검출하는 제한적인 광검출기로 활용된다.
또한, 그래핀의 양 끝에 전극을 형성하고, 그래핀과 전극의 경계면에 수직 방향을 광을 조사하면, 양쪽 전극 사이에 광전류가 흐르는 구조를 갖는 광검출기가 있다. 이때, 광검출기는 빛을 받은 그래핀에서 전자-홀 쌍이 생성되어 전류를 생성하게 된다. 이러한 광검출기는 항상 빛이 그래핀-금속 경계면에 조사되어야하며, 그래핀-금속 양쪽 경계면에 빛이 동시에 조사되는 경우, 양쪽에서 반대 방향으로 흐르는 동일 크기의 전류가 발생되어 광 전류의 합이 제로가 된다.
이로 인해, 이종의 전극 형성을 회피하면서, 그래핀-금속 경계면에 광이 조사되는 상황에서도 광 신호를 검출할 수 있는 광검출기에 대한 필요성이 있었다.
본 발명의 목적은 이종의 전극 형성을 회피하면서, 그래핀-금속 경계면에 광이 조사되는 상황에서도 광 신호를 검출할 수 있는 광검출기를 제공함에 있다.
본 발명의 광검출기는 전도성 기판, 상기 전도성 기판 상에 형성되어 있는 절연층, 상기 절연층 상단의 일부에 형성되고, 하나의 층으로 형성된 단층 그래핀, 상기 절연층 상단의 다른 일부에 형성되고, 복수의 층으로 형성된 다층 그래핀, 상기 단층 그래핀의 끝단에 형성된 제 1 전극, 및 상기 다층 그래핀의 끝단에 형성된 제 2 전극을 포함한다.
이 실시예에 있어서, 상기 단층 그래핀과 상기 다층 그래핀은 상호 간에 맞물린 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 단층 그래핀과 상기 다층 그래핀은 각각 사각 톱니 형태로 구현되는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 단층 그래핀과 상기 다층 그래핀은 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 연결하는 방향을 기준으로 형성된 톱니 부분이 순차적으로 교번하여 배치되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 기판과 상기 전극들 사이의 전압을 인가하여 광 전류의 양을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
이 실시예에 있어서, 상기 단층 그래핀과 상기 다층 그래핀의 경계면은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 광검출기는 절연층 상단에 단층 그래핀과 다층 그래핀을 형성함에 따라 이종의 금속 전극 형성을 회피할 수 있으며, 광검출기 제조에 따른 그래핀의 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 광검출기는 단층 그래핀과 다층 그래핀의 경계면에서 발생된 빛 열전현상을 이용하여 단일 금속으로 형성된 전극을 이용할 수 있음으로 소자의 구조를 단순화시킬 수 있고, 입사광의 파장에 의존하지 않는 광검출기를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광검출기의 제작 공정을 도시한 도면, 및
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광검출기의 제작 방법을 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 이종의 전극 형성을 회피하면서, 그래핀-금속 경계면에 광이 조사되는 상황에서도 광 신호를 검출할 수 있는 광검출기를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광검출기(100)는 전도성 기판(110), 절연층(120), 그래핀들(130, 140), 및 전극들(151, 152)을 포함한다. 여기서, 광검출기(100)는 그래핀 광검출기를 포함한다.
전도성 기판(110)은 광검출기(100), 일예로 그래핀 광검출기 형성을 위한 기판이다.
절연층(120)은 전도성 기판(110)의 상부에 형성된다.
그래핀들(130, 140)은 절연층의 상부에 형성된다. 이때, 그래핀들(130, 140)은 단층 그래핀(130)과 다층 그래핀(140)을 포함하고, 두 종류의 그래핀들(130, 140)이 결합됨에 따라 그래핀들(130, 140)의 경계면(10)이 형성된다.
그래핀은 탄소 원자가 서로 연결되어 벌집 모양의 얇은 평면 구조를 이루는 물질로 전기적 성징을 갖는다. 이때, 탄소 원자는 서로 연결되어 하나의 탄소 원자 층을 이루며, 그래핀은 단층 또는 다층의 탄소 원자층으로 이루어질 수 있다. 이때, 단층 그래핀(130)은 탄소 원자 1개의 두께와 동일할 수 있다. 탄소 원자는 6원환을 기본 단위를 가지며, 5원환 또는 7원환으로 형성될 수도 있다.
즉, 단층 그래핀(130)은 하나의 층으로 구성된 그래핀을 나타내고, 다층 그래핀(140)은 적어도 두 개, 즉 복수의 층으로 구성된 그래핀을 나타낸다.
그래핀들(130, 140)의 일측 끝단에는 제 1 전극(151)이 위치하고, 다른 끝단에는 제 2 전극(152)이 형성된다.
광검출기(100)의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
단층 그래핀(130)과 다층 그래핀(140)의 경계면(10)에 광이 조사되면, 빛열전 현상(photothermoelectric effect)에 의해 광 전류가 흐르게 된다. 단층 그래핀(130)과 다층 그래핀(140)의 경계면(10)에 광이 조사되면, 경계면(10) 부분의 온도가 광이 조사되지 않는 금속 전극 경계면의 온도보다 높아지고, 열전 현상에 의해 양 끝단에 위치한 전극들(151, 152) 사이에 광전류가 흐른다. 이때, 광 전류의 양은 전극들(151, 152)과 전도성 기판 사이에 전압을 인가하면 증가시킬 수 있다. 이것은 게이팅(gating) 전압의 인가에 따른 전류 증가와 유사하다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출기를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광검출기(200)는 전도성 기판(210), 절연층(120), 그래핀들(230, 240), 및 전극들(251, 252)을 포함한다. 여기서, 광검출기(200)의 구조는 도 1의 광검출기와 그래핀층들(230, 240)의 구조에서 차이점을 갖는다.
단층 그래핀(230)과 다층 그래핀(240)은 상호 간에 맞물리는 구조(즉, 맞물린 전극 구조(intergiditated electrode structure)를 가지고 있으며, 단층 그래핀(230)에는 다층 그래핀(240)이 삽입되기 위한 홈이 형성되고, 다층 그래핀(240)에는 단층 그래핀(230)이 삽입되기 위한 홉이 형성된다. 즉, 단층 그래핀(230)과 다층 그래핀(240)은 사각 톱니의 형태를 가지고 있으며, 상호 간에 맞물린다. 여기서, 단층 그래핀(230)과 다층 그래핀(240)이 형성되는 사각 톱니는 예시적인 것으로 사다리꼴, 다각형 등의 다양한 패턴으로 구현될 수 있다.
이를 통해, 단층 그래핀(230)과 다층 그래핀(240)은 제 1 전극(251)과 제 2 전극(252)을 연결하는 선을 기준으로 형성된 톱니 부분이 순차적으로 교번하여 배치되는 구조를 갖는다. 이때, 톱니 부분의 형태, 길이, 및 두께는 광검출기의 성능을 위해 다양하게 조절될 수 있다.
이와 같은 그래핀들(230, 240)의 구조는 광전 변환의 효율을 증대시킬 수 있다. 이는, 단층 그래핀(230)과 다층 그래핀(240)의 경계면(20)의 물리적인 길이를 증가시켜 광전 변환 효율을 증가시킬 수 있다. 이를 통해, 동일한 광량 조사에 대해 더 큰 광 전류를 획득할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광검출기의 제작 공정을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, (a)에서, 전도성 기판(110) 상에 절연막(120)이 형성된 기판이 사용될 수 있다. 예를 들면, 도핑된 실리콘 기판 상에 이산화규소(SiO2)층이 형성된 기판이 사용될 수 있다. 따라서, 전도성 기판(110)은 도핑된 실리콘 기판일 수 있으며, 절연막(120)은 이산화규소층일 수 있다.
(b)에서, 준비된 기판 상에 일예로, 화학기상증착(CVD) 공정을 통해 합성된 단층 그래핀(130)과 PMMA 필름(311)이 동시에 형성된다. 이때, CVD 공정을 통해 합성된 단층 그래핀에 PMMA를 코팅한 그래핀-PMMA 시료를 기판에 그대로 전사해도 된다.
(c)에서, 기판에 형성된 그래핀-PMMA 위에 금속 마스크 형성을 위한 쉐도우 마스크(312)를 정렬한다. 이후, 적절한 금속(구리(Cu), 금(Au) 등)을 증착한다.
(d)에서, 쉐도우 마스크(312)에 의해 금속 마스크(313)이 형성된다.
(e)에서, 금속 마스크(313)을 이용하여 O산소(O2) 애쉬(Ash) 공정을 통해 불필요한 PMMA 층(314)을 제거한다.
(f)에서, 금속 마스크(313)를 제거한다. 금속 마스크는 (e)에서 가장 상단에 위치한 부분(313)으로 금속 마스크(313)가 제거되면, PMMA(315)가 가장 상단에 위치한다.
(g)에서, 단층 그래핀에 형성된 PMMA(315)를 제거하면 최종적으로 패턴된 단층 그래핀(316)을 획득한다.
(h)에서, 패턴된 단층 그래핀(316) 위에 (b)에 사용된 그래핀-PMMA(317) 시료를 기판에 전사한다.
(i)에서, 기판에 형성된 그래핀-PMMA(317) 위에 금속 마스크 형성을 위하여 쉐도우 마스크(318)를 정렬한다. 이때, 쉐도우 마스크(318)는 단층 그래핀(130)과 다층 그래핀(140)을 동시에 형성할 수 있도록 (c)에서보다 긴 길이의 패턴을 형성한다. 이후, 적절한 금속(구리(Cu), 금(Au) 등)을 증착한다.
(j)에서, 쉐도우 마스크(318)에 의해 금속 마스크(319)이 형성된다.
(k)에서, 금속 마스크(319)을 이용하여 O산소(O2) 애쉬(Ash) 공정을 통해 불필요한 PMMA 층을 제거한다.
(l)에서, 금속 마스크(319)을 제거한다. 금속 마스크(319)을 제거하면, 단층 그래핀(130)과 다층 그래핀(140)이 패턴된 그래핀을 획득할 수 있다.
(m)에서, 그래핀 광검출기의 전류 측정을 위한 금속 전극 형성을 위한 쉐도우 마스크(321)를 정렬한다.
(n)에서, 적절한 금속 전극이 형성된 최종 그래핀 광검출기를 생산할 수 있다.
이와 같은 그래핀 광검출기의 제작 공정은 그래핀-PMMA 시료를 사용함에 따라 반도체 공정에서 사용되는 광감광제(photoresit)의 부정적 영향(그래핀의 인위적인 도핑)을 최소화할 수 있다.
여기서, (a) 내지 (n)의 공정은 순차적으로 수행될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광검출기의 제작 방법을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 준비된 기판 상에 합성된 단층 그래핀과 PMMA 필름을 형성하고 413단계로 진행한다(411단계). 여기서, 준비된 기판은 절연막이 형성된 기판이며, 도핑된 실리콘 기판 상에 이산화규소층이 형성된 기판이 사용될 수 있다.
형성된 그래핀-PMMA 위에 제 1 쉐도우 마스크를 정렬하고 415단계로 진행한다(413단계).
정렬된 제 1 쉐도우 마스크를 이용하여 금속을 증착시켜 제 1 금속 마스크 형성하고 417단계로 진행한다(415단계).
제 1 금속 마스크를 이용하여 애쉬 공정을 통해 불필요한 그래핀-PMMA층 제거한다(417단계).
제 1 금속 마스크를 제거하고 421단계로 진행한다(419단계).
단층 그래핀에 형성된 PMMA 제거하고 423단계로 진행한다(421단계). 이때, 패턴된 단층 그래핀이 형성된다.
패턴된 단층 그래핀 위에 그래핀-PMMA 시료를 기판에 전사하고 425단계로 진행한다(423단계).
형성된 그래핀-PMMA 위에 제 2 쉐도우 마스크를 정렬하고 427단계로 진행한다(425단계).
정렬된 제 2 쉐도우 마스크를 이용하여 금속을 증착시켜 제 2 금속 마스크 형성하고 429단계로 진행한다(427단계).
제 2 금속 마스크를 이용하여 불필요한 그래핀-PMMA층 제거하고, 431단계로 진행한다(429단계).
제 2 금속 마스크와 PMMA 제거하고, 433단계로 진행한다(431단계).
제 3 쉐도우 마스크 정렬하고, 435단계로 진행한다(433단계). 제 3 쉐도우 마스크를 이용하여 적절한 금속을 증착시켜 금속 전극을 형성하고 435단계로 진행한다.
금속 전극의 형성을 통해 광검출기, 즉 그래핀 광검출기를 생성하고 종료한다(435단계).
본 발명에서 제안된 광검출기는 이종의 금속 전극 형성을 회피하고, 제작 과정에서 그래핀의 손상을 최소화할 수 있다. 또한, 단일층 그래핀과 다층 그래핀의 경계면에서 발생하는 빛열전현상을 이용함에 따라 단일 금속으로 형성된 전극을 이용하므로 소자의 구조를 단순화시키고 입사광의 파장에 의존하지 않는 광검출기를 제공한다. 본 발명에서 제안된 광검출기는 자외선(UV), 적외선(IR) 및 가시광선(visible)의 파장 대역에서 동작 가능한 이미지 센서로 활용될 수 있다.
한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200: 광검출기 110, 210: 전도성 기판
120, 220: 절연층 130, 140, 230, 240: 그래핀들
151, 152, 251, 252: 전극들

Claims (6)

  1. 전도성 기판;
    상기 전도성 기판 상에 배치되는 절연층;
    상기 절연층의 일측 상에 배치되는 하부 그래핀 층;
    상기 하부 그래핀 층과, 상기 하부 그래핀 층으로부터 노출되는 상기 절연층의 타측 상에 배치된 상부 그래핀 층;
    상기 절연층 일측의 상기 하부 그래핀 층 상에 배치된 제 1 전극; 및
    상기 절연층 타측의 상기 상부 그래핀 층 상에 배치된 제 2 전극을 포함하되,
    상기 상부 그래핀 층은 상기 절연층의 일측에서 상기 하부 그래핀 층에 접촉되어 다층 그래핀을 정의하고, 상기 절연층 타측에서 상기 하부 그래핀 층으로부터 분리되어 단층 그래핀을 정의하고, 상기 다층 그래핀과 상기 단층 그래핀 사이의 상기 하부 그래핀의 측벽에 대응하는 경계면을 정의하는 광검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단층 그래핀과 상기 다층 그래핀은 상호 간에 맞물린 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광검출기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단층 그래핀과 상기 다층 그래핀은 각각 사각 톱니 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 광검출기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 단층 그래핀과 상기 다층 그래핀은 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 연결하는 방향을 기준으로 형성된 톱니 부분이 순차적으로 교번하여 배치되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광검출기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 기판과 상기 전극들 사이의 전압을 인가하여 광 전류의 양을 증가시키는 것을 특징으로 하는 광검출기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 단층 그래핀과 상기 다층 그래핀의 상기 경계면은 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출기.
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