KR102296735B1 - 포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서 - Google Patents

포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR102296735B1
KR102296735B1 KR1020140105230A KR20140105230A KR102296735B1 KR 102296735 B1 KR102296735 B1 KR 102296735B1 KR 1020140105230 A KR1020140105230 A KR 1020140105230A KR 20140105230 A KR20140105230 A KR 20140105230A KR 102296735 B1 KR102296735 B1 KR 102296735B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
semiconductor layer
photoconductor
electrode
junction
benzenedithiol
Prior art date
Application number
KR1020140105230A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20160020193A (ko
Inventor
김태곤
황진영
장은주
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020140105230A priority Critical patent/KR102296735B1/ko
Priority to US14/666,057 priority patent/US9608147B2/en
Publication of KR20160020193A publication Critical patent/KR20160020193A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102296735B1 publication Critical patent/KR102296735B1/ko

Links

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
    • H01L31/0248—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
    • H01L31/0352—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 shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035209—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 shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures
    • H01L31/035218—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 shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions comprising a quantum structures the quantum structure being quantum dots
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components 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
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L27/14665—Imagers using a photoconductor layer
    • 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
    • H01L31/0352—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 shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • 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
    • H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • 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
    • H01L31/10—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 characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/109—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier being of the PN heterojunction type

Abstract

제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 위에 배치되어 있는 제2 반도체층, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 한 측면에 접촉하는 제1 전극 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 다른 측면에 접촉하는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 제1형 접합 또는 유사 제2형 접합을 형성하는 포토컨덕터.

Description

포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서{PHOTOCONDUCTOR AND IMAGE SENSOR USING THE SAME}
본 명세서는 포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서에 관한 것이다.
실리콘 기반의 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor)/CCD (Charge Coupled Device) 이미지 센서 기술은 지난 20년 동안 관련 기술의 주류였다. 최적화된 설계 및 공정으로 가시 광선의 회절 한계인 1 ㎛ 크기의 화소까지 안정적으로 구현되어 왔으며 이미지 프로세싱(image processing)과 관련한 논리 소자(logic device)에 동시에 집적되는 기술로 높은 신뢰도를 보여 왔다. 특히 CMOS 이미지 센서는 소모 전력이 적어 모바일 기기(mobile device)의 거의 모든 카메라에 적용되고 있다. CMOS 이미지 센서의 개별 화소는 빛을 흡수하여 전기 신호로 변환하는 포토다이오드(photodiode)와 전기 신호를 처리하는 논리 소자(logic device)를 포함한다. 최근에는 광전 변환 소자(photodiode)의 크기가 1 ㎛ 까지 작아지고 있으며, 이에 따라 광흡수량 자체가 줄어 들어 화소를 작게 하더라도 화질을 높일 수 없는 상황에 이르고 있다.
이에 대한 대안으로 최근에는 실리콘 대비 광흡수도가 5-10배 가량 높은 유기 반도체 및 양자점(quantum dot: QD)이 광흡수체로 새롭게 주목받고 있다. 이는 높은 광흡수도를 가져 작은 면적에서도 많은 양의 빛을 흡수할 수 있기 때문이다. 또한 유기 반도체의 경우 파장 선택적 흡수가 가능하여 이미지 센서의 집적도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 적층형(stack) 구조 구현이 가능하며, 콜로이드 양자점은 에피택시(epitaxy) 공정 없이 실리콘 대비 10배 가량 얇은 두께로 기존 단결정 실리콘에 필적하는 감도를 보이고, 실리콘 논리 소자와의 호환성이 우수하여 차세대 이미지 센서 소재로 고려되고 있다.
콜로이드 양자점을 이용한 광감지 구조는 포토다이오드와 포토컨덕터의 두 가지 방식이 있다. 포토다이오드는 흡수한 광자(photon) 개수 이상의 여기 전자/정공 쌍을 만들어 낼 수는 없지만 반응 속도가 빠르고 암전류가 작은 장점을 가진다. 포토컨덕터는 흡수한 광자 개수의 수 십 배가 넘는 전자/정공 쌍을 만들어 낼 수 있으나 반응 속도가 느리고 암점류가 높은 단점이 있다.
실리콘 포토다이오드는 신뢰도가 높고 논리 소자와의 우수한 호환성에도 불구하고 실리콘 자체의 광흡수가 낮아 현재의 1 ㎛ 크기의 화소에서는 광학적/전기적 간섭(cross talk)이 커져 추가적인 화질의 개선이 이루어지지 못하고 있다. 특히 적외선(IR) 대역에서는 광흡수가 급격히 낮아져 고감도 야간 촬영, 3차원 카메라, 동작 센서, 홍채 인식 센서, 헬스 모니터링 센서, 열화상 센서 등의 새로운 요구를 충족할 수 있는 적외선 센서로의 적용도 어려운 상황이다.
이에 대한 대안 중의 하나로 양자점 이미지 센서(QD image sensor)가 가능하며, 높은 광흡수, 원적외선/중적외선(~5㎛)에 이르는 넓은 광흡수 대역, 유기 소재 대비 상대적으로 높은 전자 이동도 등 광센서용 광흡수체로 적용하기에 적합한 다양한 장점들을 가지고 있다. 하지만 특히 포토컨덕터형 양자점 광감지 소자(QD photodetector)의 경우 우수한 감도 특성에도 불구하고 빛을 제거 하고 난 이후에도 잔류 전류가 흐르는 광전도성 지속(persistent photoconductivity: PPC) 특성으로 인해 빠른 응답성을 갖지 못하는 단점을 지니고 있다. 따라서 이러한 단점을 해소할 수 있는 방안 마련이 필요하다.
일 실시예에 따른 포토컨덕터는 제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 위에 배치되어 있는 제2 반도체층, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 한 측면에 접촉하는 제1 전극 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 다른 측면에 접촉하는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 제2형 접합 또는 유사 제2형 접합을 형성한다.
상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 두께는 각각 5nm~500nm 일 수 있다.
상기 제1 반도체층의 컨덕션 밴드와 상기 제2 반도체층의 컨덕션 밴드의 에너지 차이 및 상기 제1 반도체층의 밸런스 밴드와 상기 제2 반도체층의 밸런스 밴드의 에너지 차이가 모두 0.1eV 이상일 수 있다.
상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 각각 양자점 물질을 적층하여 형성하며, Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, GaP, GaAs, GaSb, In2S3, In2Se3, In2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4을 포함하는 IV, II-VI, III-V, III2-VI3, I-III-VI2, I2-II-IV-VI4 족 반도체 및 이들의 혼합 중에서 선택된 적어도 하나의 나노 결정을 포함할 수 있다.
상기 양자점 물질은 상기 나노 결정의 표면에 코팅된 리간드를 포함하고, 상기 리간드는 benzenethiol (BT), 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and 1,4-benzenedithiol (1,2-BDT, 1,3-BDT, and 1,4-BDT), 1,2-ethanedithiol(EDT), 및 3-mercaptopropionic acid (MPA)을 포함하는 티올(thiol)계, 1,2-ethylenediamine (EDA), ammonium thiocyanate (SCN)을 포함하는 아민(amine)계, tetrabutylammonium iodide (TBAI), bromide (TBABr), chloride (TBACl), 및 fluoride (TBAF)와 같이 요오드(iodine), 브롬(bromine), 염소(chlorine), 불소(fluorine)을 포함하는 할로겐(halide)계 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 나노 결정의 크기는 1nm~50nm일 수 있다.
상기 제1 반도체층의 아래 및 상기 제2 반도체층의 위 중 적어도 하나에 배치되어 있는 제3 전극을 더 포함할 수 있다. 제3 전극은 절연막 위에 도포되는 게이트 구조의 전극일 수 있다.
상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 유사 제2형 접합을 형성할 수 있고, 상기 제1 반도체층의 컨덕션 밴드와 상기 제2 반도체층의 컨덕션 밴드의 에너지 차이는 0.1ev 미만이고, 상기 제1 반도체층의 밸런스 밴드와 상기 제2 반도체층의 밸런스 밴드의 에너지 차이는 0.1eV 이상 이상이거나, 상기 제1 반도체층의 컨덕션 밴드와 상기 제2 반도체층의 컨덕션 밴드의 에너지 차이는 0.1ev 이상이고, 상기 제1 반도체층의 밸런스 밴드와 상기 제2 반도체층의 밸런스 밴드의 에너지 차이는 0.1eV 미만일 수 있다.
상기 제3 전극에는 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층으로 입사하는 광량에 따라서 다른 전압을 인가할 수 있고, 상기 제3 전극에 인가하는 전압의 범위는 -40V에서 40V일 수 있고, -5V에서 5V일 수도 있다.
상기 제2 반도체층 위에 배치되어 있는 제3 반도체층, 상기 제3 반도체층 위에 배치되어 있는 제4 반도체층을 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층의 한 측면과도 접촉하고, 상기 제2 전극은 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층의 다른 측면과도 접촉할 수 있다.
상기 제3 반도체층과 상기 제4 반도체층은 제1형 접합 또는 유사 제2형 접합을 형성할 수 있다.
상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층, 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층은 각각 양자점 물질을 적층하여 형성하며, Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, GaP, GaAs, GaSb, In2S3, In2Se3, In2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4을 포함하는 IV, II-VI, III-V, III2-VI3, I-III-VI2, I2-II-IV-VI4 족 반도체 및 이들의 혼합 중에서 선택된 적어도 하나의 나노 결정을 포함할 수 있다.
상기 양자점 물질은 상기 나노 결정의 표면에 코팅된 리간드를 포함하고, 상기 리간드는 benzenethiol (BT), 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and 1,4-benzenedithiol (1,2-BDT, 1,3-BDT, and 1,4-BDT), 1,2-ethanedithiol(EDT), 및 3-mercaptopropionic acid (MPA)을 포함하는 티올(thiol)계, 1,2-ethylenediamine (EDA)], ammonium thiocyanate (SCN)을 포함하는 아민(amine)계, tetrabutylammonium iodide (TBAI), bromide (TBABr), chloride (TBACl), 및 fluoride (TBAF) 와 같이 요오드(iodine), 브롬(bromine), 염소(chlorine), 불소(fluorine)을 포함하는 할로겐(halide)계 중에서 적어도 하나를 포함하는 할로겐(halide)계 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 나노 결정의 크기는 1nm~50nm일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 높은 광전 변환율(gain)을 가지면서도 광전도성 지속 특성이 없는 포토컨덕터를 구현할 수 있고, 게이트 전극 전압을 조정함으로써 포토컨덕터의 광민감도를 조절할 수 있어서, 이미지 센서의 센싱 가능한 밝기 범위를 확장할 수 있다.
도 1 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이고,
도 2는 일 실시예에 따른 포토컨덕터의 단면도이고,
도 3은 도 2의 포토컨덕터의 동작 원리를 보여주는 개념도이고,
도 4는 다른 실시예에 따른 포토컨덕터의 단면도이고,
도 5는 도 4의 포토컨덕터의 동작 원리를 보여주는 개념도이고,
도 6은 InP와 GaAs로 도 2 또는 도 4의 포토컨덕터를 구현하였을 때, 단면의 에너지 밴드를 보여주는 그래프이고,
도 7은 도 2의 포토컨덕터가 유사 제2형 접합(quasi-Type II junction)을 형성하는 경우의 동작 원리를 보여주는 개념도이고,
도 8은 도 4의 포토컨덕터가 유사 제2형 접합(quasi-Type II junction)을 형성하는 경우의 동작 원리를 보여주는 개념도이고,
도 9는 또 다른 실시예에 따른 포토컨덕터의 단면도이고,
도 10은 도 9의 포토컨덕터를 통해 구현되는 비선형 응답성을 보여주는 그래프이고,
도 11은 도 9의 실시예에서 게이트 전극에 음의 전압이 인가되었을 때 동작 원리를 보여주는 개념도이고,
도 12는 도 9의 실시예에서 게이트 전극에 양의 전압이 인가되었을 때 동작 원리를 보여주는 개념도이고,
도 13은 GaAs와 Si로 도 9의 포토 컨덕터를 구현하고, 게이트 전극에 음의 전압(-5V)을 인가하였을 때, 에너지 밴드를 보여주는 그래프이고,
도 14는 GaAs와 Si로 도 9의 포토 컨덕터를 구현하고, 게이트 전극에 양의 전압(5V)을 인가하였을 때, 에너지 밴드를 보여주는 그래프이고,
도 15는 다양한 물질의 에너지 밴드를 보여주는 그래프이고,
도 16a는 CdSe로 이루어진 양자점의 크기에 따른 에너지 밴드의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 16b는 CdTe로 이루어진 양자점의 크기에 따른 에너지 밴드의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 16c는 PbS로 이루어진 양자점의 크기에 따른 에너지 밴드의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 16d는 PbSe로 이루어진 양자점의 크기에 따른 에너지 밴드의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 17은 양자점의 표면에 코팅되는 다양한 리간드(ligand)의 에너지 밴드를 보여주는 그래프이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도 1은 일 실시예에 따른 이미지 센서의 단면도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 포토컨덕터의 단면도이고, 도 3은 도 2의 포토컨덕터의 동작 원리를 보여주는 개념도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 센서는 기판(10) 위에 형성되어 있는 포토컨덕터(30), 포토컨덕터(30)를 제어하고 감지한 전기 신호를 처리하는 전자 회로부(20), 포토컨덕터(30) 및 전자 회로부(20) 위에 배치되어 있는 컬러 필터(41), 컬러 필터(41) 위에 배치되어 있는 마이크로 렌즈층(42)을 포함한다.
기판(10)은 실리콘 등의 반도체 기판일 수 있고, 포토컨덕터(30)를 제어하고 감지한 전기 신호를 처리하는 전자 회로의 일부를 포함할 수 있다. 전자 회로부(20)는 포토컨덕터(30)에 전압을 인가하여 광전 변환된 전기 신호를 추출하고, 추출된 전기 신호를 증폭하는 등의 기본적인 처리를 수행한다. 전자 회로부(20)는 기판(10) 위에 적층 형성되거나 또는 기판(10)의 일부로서 형성될 수 있다. 컬러 필터(41)은 백색광 중 특정 색상의 빛만을 걸러서 포토컨덕터(30)로 입사시키기 위한 것으로써, 적색, 녹색 및 청색 컬러 필터 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 각 컬러 필터(41)는 포토컨덕터(30) 하나와 대응하도록 배치될 수 있다. 각 마이크로 렌즈층(42)은 포토컨덕터(30)로 입사하는 광량을 증대하기 위하여 배치하며, 포토컨덕터(30) 하나와 대응하도록 배치될 수 있다. 포토컨덕터(30)는 광전 변환 소자로써, 광량에 따라 다른 전류를 출력한다.
도 2를 참고하여, 일 실시예에 따른 포토컨덕터에 대하여 좀더 구체적으로 살펴본다.
일 실시예에 따른 포토컨덕터는 제1 반도체층(31), 제1 반도체층(31) 위에 형성되어 있으며 제1 반도체층(31)과 접촉하여 제2형(Type II) 접합을 형성하는 제2 반도체층(32), 제1 반도체층(31) 및 제2 반도체층(32)의 양측면에 접촉하도록 배치되어 있는 제1 전극(33) 및 제2 전극(34)을 포함한다. 제1 전극(33)과 제2 전극(34) 사이에는 직류 전원(39)이 연결될 수 있고, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 빛을 받으면, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 도전성을 가지게 되어 전류가 흐른다. 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)은 양자점 물질을 적층하여 형성하며, Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, GaP, GaAs, GaSb, In2S3, In2Se3, In2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4을 포함하는 IV, II-VI, III-V, III2-VI3, I-III-VI2, I2-II-IV-VI4 족 반도체 및 이들의 혼합 중에서 제2형 접합을 형성할 수 있는 반도체쌍을 포함한다. 양자점은 이러한 반도체로 이루어진 나노 결정의 표면에 리간드(ligand)로써 benzenethiol (BT), 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and 1,4-benzenedithiol (1,2-BDT, 1,3-BDT, and 1,4-BDT), 1,2-ethanedithiol(EDT), 및 3-mercaptopropionic acid (MPA)을 포함하는 티올(thiol)계, 1,2-ethylenediamine (EDA)], ammonium thiocyanate (SCN)을 포함하는 아민(amine)계, tetrabutylammonium iodide (TBAI), bromide (TBABr), chloride (TBACl), 및 fluoride (TBAF) 와 같이 요오드(iodine), 브롬(bromine), 염소(chlorine), 불소(fluorine)를 포함하는 할로겐(halide)계 등을 코팅하여 형성된다. 여기서, 반도체 나노 결정은 1nm~50nm의 크기를 가질 수 있다
도 3을 참고하면, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 형성하는 제2형(Type II) 접합이란, 도 3의 오른쪽 그림에서 보여지는 바와 같이, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)의 컨덕션 밴드와 밸런스 밴드가 모두 동일한 상향 또는 하양의 계단을 형성하는 접합 상태를 말한다. 본 실시예에서는 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)의 컨덕션 밴드 및 밸런스 밴드의 에너지 차이가 모두 0.1eV 이상이다. 이러한 제2형(Type II) 접합 상태에서는 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 빛을 받으면, 도 3의 왼쪽 그림에서 보여지는 바와 같이, 정공과 전자가 각각 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)으로 분리되어 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 도전성을 가지게 된다. 따라서, 제1 전극(33)과 제2 전극(34) 사이에 전압을 인가하면 전류가 흐르고, 이를 측정하여 광량을 확인할 수 있다.
이러한 포토컨덕터는 높은 광전 변환율(gain)을 가지면서도 빠른 반응 속도를 나타낸다.
포토컨덕터의 광전 변환율은 다음의 수학식 1로 표현된다.
[수학식 1]
광전 변환율 = 이동도×전기장×재결합 시간 / 소자의 길이
따라서 포토컨덕터의 광전 변환율은 캐리어가 포토컨덕터를 지나가는 시간이 여기된 전자/정공이 재결합하는 시간보다 짧을수록 높아진다. 따라서 광전 변환율을 높이기 위해서는 이동도를 높이거나 전자/정공 쌍의 재결합 시간을 늘려야 한다. 본 실시예에서는 양자점 필름들이 전류에 대하여 수직 방향으로 제2형 접합을 이루도록 하여, 전자/정공이 각각 n형층과 p형층으로 자발적으로 분리되도록 한다. 이 경우 전자와 정공이 물리적으로 분리되기 때문에 전자/정공의 재결합 확률이 줄어들어 재결합 시간이 증가하는 효과를 보이게 된다. 이러한 효과를 극대화하기 위해서는 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)의 두께를 각각 전자와 정공의 확산 길이(diffusion length) 이하로 할 수 있고, 광흡수가 충분히 이루어지도록 하기 위하여 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)을 복수 회 반복하여 적층할 수 있다. 이러한 구조에 대하여는 후술한다.
이상과 같이, 제2형 접합에 기반한 양자점 필름층의 여기된 전자/정공의 재결합 시간은 20㎲ 정도로 늘어나기 때문에 포토컨덕터의 광전 변환율을 비약적으로 증가시킬 수 있다. 한편, 전자/정공의 재결합 시간이 20㎲이면 10kHz 이상의 반응 속도를 나타낼 수 있어서, 기존의 전자 트랩을 이용하는 양자점 필름이 10Hz 수준의 반응 속도를 나타내는 것에 비하여 1000배 정도 향상된 반응 속도를 구현할 수 있다.
광흡수가 충분히 이루어지도록 하기 위하여 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)을 복수 회 반복하여 적층할 수 있다. 이러한 구조에 대하여 설명한다.
도 4는 다른 실시예에 따른 포토컨덕터의 단면도이고, 도 5는 도 4의 포토컨덕터의 동작 원리를 보여주는 개념도이다.
도 4를 참고하면, 다른 실시예에 따른 포토컨덕터는 제2형(Type II) 접합을 형성하는 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 3회 반복하여 적층되어 있는 반도체 적층 구조와 제1 반도체층(31) 및 제2 반도체층(32)의 양측면에 접촉하도록 배치되어 있는 제1 전극(33) 및 제2 전극(34)을 포함한다. 제1 전극(33)과 제2 전극(34) 사이에는 직류 전원(39)이 연결될 수 있고, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 빛을 받으면, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 도전성을 가지게 되어 전류가 흐른다. 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)은 양자점 물질을 적층하여 형성하며, Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, GaP, GaAs, GaSb, In2S3, In2Se3, In2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4을 포함하는 IV, II-VI, III-V, III2-VI3, I-III-VI2, I2-II-IV-VI4 족 반도체 및 이들의 혼합 중에서 제2형 접합을 형성할 수 있는 반도체쌍을 포함한다. 양자점은 이러한 반도체로 이루어진 나노 결정의 표면에 리간드(ligand)로써 benzenethiol (BT), 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and 1,4-benzenedithiol (1,2-BDT, 1,3-BDT, and 1,4-BDT), 1,2-ethanedithiol(EDT), 및 3-mercaptopropionic acid (MPA)을 포함하는 티올(thiol)계, 1,2-ethylenediamine (EDA)], ammonium thiocyanate (SCN)을 포함하는 아민(amine)계, tetrabutylammonium iodide (TBAI), bromide (TBABr), chloride (TBACl), 및 fluoride (TBAF) 와 같이 요오드(iodine), 브롬(bromine), 염소(chlorine), 불소(fluorine)을 포함하는 할로겐(halide)계 등을 코팅하여 형성된다. 여기서, 반도체 나노 결정은 1nm~50nm의 크기를 가질 수 있다.
본 실시예에서는 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 3회 반복하여 적층되어 있으나, 반복 적층의 회수는 2회이거나 4회 이상일 수 있다. 또한, 복수의 제1 반도체층(31)이 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 복수의 제2 반도체층(32)도 동일한 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 이웃하는 두 반도체층(31, 32)이 제2형(Type II) 접합 상태를 형성할 수 있는 범위내에서, 두 반도체층(31, 32)의 물질의 종류, 양자점의 크기, 양자점에 코팅된 리간드의 종류는 자유롭게 변경 가능하다.
이러한 제2형(Type II) 접합 상태를 형성하는 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 빛을 받으면, 도 5에 보여지는 바와 같이, 정공과 전자가 각각 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)으로 분리되어 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 도전성을 가지게 된다. 따라서, 제1 전극(33)과 제2 전극(34) 사이에 전압을 인가하면 전류가 흐르고, 이를 측정하여 광량을 확인할 수 있다.
이러한 포토컨덕터는 높은 광전 변환율(gain)을 가지면서도 빠른 반응 속도를 나타낸다.
도 6은 InP와 GaAs로 도 2 또는 도 4의 포토컨덕터를 구현하였을 때, Synopsys TCAD를 이용하여 계산된 에너지 밴드를 보여주는 그래프이다. 계산에 사용된 InP와 GaAs의 특성은 아래 표와 같다.
Materials VB
(eV)		 Eg
(eV)		 CB
(eV)		 Mobility
(cm2/V?s)		 Effective mass
me mh
GaAs -5.49 1.41 -4.07 9400 0.063 0.51/0.082
InP -5.72 1.34 -4.38 5400 0.08 0.6/0.089
도 6에 도시한 바와 같이, InP와 GaAs로 포토컨덕터의 두 반도체층을 형성하면, 광 조사에 의하여 여기된 정공은 밸런스 밴드가 높은 GaAs층으로 이동하고, 전자는 컨덕션 밴드가 낮은 InP층으로 이동하여 전자와 정공의 물리적인 분리가 발생하여, 전자와 정공의 재결합 확률이 감소한다. 따라서, 높은 광전 변환율을 구현할 수 있고, 또한 전자와 정공의 재결합 시간은 약 20㎲ 정도여서 10kHz 이상의 반응 속도를 나타낼 수 있다.
도 2나 도 4의 포토컨덕터는 두 반도체층(31, 32)이 유사 제2형 접합(quasi-Type II junction)을 형성하는 경우에도 동작이 가능하다.
도 7은 도 2의 포토컨덕터가 유사 제2형 접합(quasi-Type II junction)을 형성하는 경우의 동작 원리를 보여주는 개념도이고, 도 8은 도 4의 포토컨덕터가 유사 제2형 접합(quasi-Type II junction)을 형성하는 경우의 동작 원리를 보여주는 개념도이다.
유사 제2형 접합(quasi-Type II junction)이란, 도 7의 오른쪽 그림에서 보여지는 바와 같이, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)의 컨덕션 밴드는 비슷하여 0.1eV 미만의 차이를 나타내고, 밸런스 밴드는 0.1eV 이상의 차이를 나타내는 상태를 말한다. 이러한 유사 제2형 접합(quasi-Type II junction) 상태에서는 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 빛을 받아 전자와 정공이 여기되면, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 정공은 제1 반도체층(31)으로 이동하나, 전자는 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)에 그대로 머무르게 된다. 따라서 여기된 전자와 정공을 물리적으로 분리하여 재결합 확률을 줄이는 효과는 제2형 접합에 비하여 줄어든다.
그런데, 유사 제2형 접합 구조에 게이트 전극을 적용하면, 광전류(photocurrent)에 비선형성(non-linearity)을 부여하여 이미지 센서의 센싱 가능한 밝기 범위를 확장할 수 있다. 이러한 포토컨덕터에 대하여 설명한다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 포토컨덕터의 단면도이고, 도 10은 도 9의 포토컨덕터를 통해 구현되는 비선형 응답성을 보여주는 그래프이고, 도 11은 도 9의 실시예에서 게이트 전극에 음의 전압이 인가되었을 때 동작 원리를 보여주는 개념도이고, 도 12는 도 9의 실시예에서 게이트 전극에 양의 전압이 인가되었을 때 동작 원리를 보여주는 개념도이다.
도 9를 참고하면, 또 다른 실시예에 따른 포토컨덕터는 제1 반도체층(31), 제1 반도체층(31) 위에 형성되어 있으며 제1 반도체층(31)과 접촉하여 유사 제2형(quasi-Type II) 접합을 형성하는 제2 반도체층(32), 제1 반도체층(31) 및 제2 반도체층(32)의 양측면에 접촉하도록 배치되어 있는 제1 전극(33) 및 제2 전극(34)을 포함한다. 또한, 제1 반도체층(31)의 하부에 절연막(36)에 의하여 절연된 상태로 게이트 전극(35)이 배치되어 있다. 게이트 전극(35)과 절연막(36)은 제1 반도체층(31)의 하부 대신에 제2 반도체층(32)의 상부에 배치될 수도 있고, 제1 반도체층(31)의 하부와 제2 반도체층(32)의 상부 모두에 배치될 수도 있다. 제1 전극(33)과 제2 전극(34) 사이에는 직류 전원(VDS)이 연결될 수 있고, 제1 전극(33)과 게이트 전극(35) 사이에도 직류 전원(VBG)이 연결될 수 있다. 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 빛을 받으면, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)이 도전성을 가지게 되어 전류가 흐른다. 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)은 양자점 물질을 적층하여 형성하며, Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, GaP, GaAs, GaSb, In2S3, In2Se3, In2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4을 포함하는 IV, II-VI, III-V, III2-VI3, I-III-VI2, I2-II-IV-VI4 족 반도체 및 이들의 혼합 중에서 유사 제2형 접합을 형성할 수 있는 반도체쌍을 포함한다. 양자점은 이러한 반도체로 이루어진 나노 결정의 표면에 리간드(ligand)로써 benzenethiol (BT), 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and 1,4-benzenedithiol (1,2-BDT, 1,3-BDT, and 1,4-BDT), 1,2-ethanedithiol(EDT), 및 3-mercaptopropionic acid (MPA)을 포함하는 티올(thiol)계, 1,2-ethylenediamine (EDA)], ammonium thiocyanate (SCN)을 포함하는 아민(amine)계, tetrabutylammonium iodide (TBAI), bromide (TBABr), chloride (TBACl), 및 fluoride (TBAF) 와 같이 요오드(iodine), 브롬(bromine), 염소(chlorine), 불소(fluorine)을 포함하는 할로겐(halide)계 등을 코팅하여 형성된다. 여기서, 반도체 나노 결정은 1nm~50nm의 크기를 가질 수 있다
이러한 구조에서 게이트 전극(35)에 음의 전압(VBG < 0)을 인가하면, 도 11에 나타낸 바와 같이, 제1 반도체층(31)의 전자가 게이트 전압에 밀려서 제2 반도체층(32)으로 이동하여 여기된 전자와 전공의 물리적 분리가 일어난다. 따라서 포토컨덕터의 전류가 증가한다. 반대로 게이트 전극(35)에 양의 전압(VBG > 0)을 인가하면, 도 12에 나타낸 바와 같이, 제2 반도체층(32)의 전자가 게이트 전압에 끌려서 제1 반도체층(31)으로 이동하여 여기된 전자와 전공의 물리적 분리가 거의 사라진다. 따라서 포토컨덕터의 전류가 감소한다. 이러한 현상을 이용하면, 도 10의 B 그래프와 같은 비선형 응답성(non-linear responsivity)을 나타내는 포토컨덕터를 구현할 수 있다. 즉, 광량이 적을 때는 게이트 전극(35)에 음의 전압을 인가하여, 포토컨덕터의 광 민감도를 높이고, 광량이 많을 때는 게이트 전극(35)에 양의 전압을 인가하여 포토컨덕터의 광 민감도를 낮춤으로써, 도 10의 B 그래프과 같은 비선형 응답성을 구현할 수 있다. 이러한 비선형 응답성을 가지는 포토컨덕터는 도 10의 A 그래프와 같이 선형 응답성을 가지는 포토컨덕터에 비하여 측정 가능한 광량의 범위가 넓다. 도 10의 A 그래프의 경우, 광량이 소정량 이상이면, 여기되는 전자의 수가 동일하여 측정되는 전류도 동일하게 나타나므로, 그 이상의 광량은 측정할 수 없다. 그러나 도 10의 B 그래프의 경우에는 광량이 적을 때는 광량이 조금만 증가해도 여기되는 전자의 수가 크게 증가하고, 광량이 많을 때는 광량이 크게 증가하더라도 여기되는 전자의 수가 조금씩 증가한다. 따라서 측정 가능한 광량의 범위가 넓고, 센싱의 감도도 우수하다.
도 9의 포토컨덕터의 게이트 전극(35)에는 제1 반도체층(31) 및 제2 반도체층(32)으로 입사하는 광량에 따라서 다른 전압을 인가하고, 게이트 전극(35)에 인가하는 전압은 -40V에서 40V일 수 있고, 모바일 기기에 적용하기 위한 포토컨덕터의 경우에는 -5V에서 5V의 범위일 수 있다.
도 13은 GaAs와 Si로 도 9의 포토 컨덕터를 구현하고, 게이트 전극에 음의 전압(-5V)을 인가하였을 때, Synopsys TCAD를 이용하여 계산된 에너지 밴드를 보여주는 그래프이고, 도 14는 GaAs와 Si로 도 9의 포토 컨덕터를 구현하고, 게이트 전극에 양의 전압(5V)을 인가하였을 때, 계산된 에너지 밴드를 보여주는 그래프이다. 계산에 사용된 GaAs와 Si의 특성은 아래 표와 같다.
Materials VB
(eV)		 Eg
(eV)		 CB
(eV)		 Mobility
(cm2/V?s)		 Effective mass
me mh
GaAs -5.49 1.41 -4.07 9400 0.063 0.51/0.082
Si -5.17 1.12 -4.05 700 0.19 0.49/0.16
도 13에 도시한 바와 같이, GaAs와 Si로 포토컨덕터의 두 반도체층을 형성하고, 게이트 전극에 음의 전압(-5V)을 인가하면, 광 조사에 의하여 여기된 정공은 밸런스 밴드가 높은 Si층으로 이동하고, 전자는 컨덕션 밴드가 낮춰진 GaAs층으로 이동하여 전자와 정공의 물리적인 분리가 발생하여, 전자와 정공의 재결합 확률이 감소한다. 따라서, 높은 광전 변환율을 구현할 수 있고, 또한 전자와 정공의 재결합 시간은 약 20㎲ 정도여서 10kHz 이상의 반응 속도를 나타낼 수 있다. 이에 반해, 도 14에 도시한 바와 같이, GaAs와 Si로 포토컨덕터의 두 반도체층을 형성하고, 게이트 전극에 양의 전압(5V)을 인가하면, 광 조사에 의하여 여기된 전자는 Si층으로이동하나 GaAs와 Si의 밸런스 밴드의 에너지 차이에 의해 정공이 GaAs로 넘어가지 못함으로써 정공 역시 Si층에 머물게 되므로 전자와 정공이 물리적으로 분리되지 않는다. 따라서 광전 변환율이 감소한다.
도 15는 Chemistry of Materials vol. 24 (2012)의 3662페이지에 실린 그래프로서, 다양한 물질의 에너지 밴드를 보여주는 그래프이다.
여러 실시예에서 포토컨덕터를 구성하는 두 반도체층의 물질은 제2형 접합 또는 유사 제2형 접합을 형성하는 것이면, 다양하게 변경될 수 있다. 도 15를 참고하면, 예를 들어 Cu2O와 ZnO를 사용하여 제2형 접합을 형성할 수 있고, FeTiO3와 BaTiO3를 사용하여 유사 제2형 접합을 형성할 수 있다. 따라서 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)은 Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, GaP, GaAs, GaSb, In2S3, In2Se3, In2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4을 포함하는 IV, II-VI, III-V, III2-VI3, I-III-VI2, I2-II-IV-VI4 족 반도체 및 이들의 혼합 중에서 제2형 접합 또는 유사 제2형 접합을 형성할 수 있는 반도체쌍으로 이루어질 수 있다.
도 16a 내지 도 16d는 ACS Nano vol. 5 (2011)의 5896페이지에 실린 그래프로서, 도 16a는 CdSe로 이루어진 양자점의 크기에 따른 에너지 밴드의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 16b는 CdTe로 이루어진 양자점의 크기에 따른 에너지 밴드의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 16c는 PbS로 이루어진 양자점의 크기에 따른 에너지 밴드의 변화를 보여주는 그래프이고, 도 16d는 PbSe로 이루어진 양자점의 크기에 따른 에너지 밴드의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 16a 내지 도 16d를 참고하면, 동일한 물질이라 하더라도 나노 결정의 크기에 따라서 컨덕션 밴드와 밸런스 밴드의 에너지가 달라진다. 따라서 나노 결정의 크기를 조정함으로써, 적절한 제2형 접합 또는 유사 제2형 접합을 형성하는 것도 가능하다. 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)은 1nm에서 50nm의 크기를 가지는 반도체 나노 결정으로 이루어질 수 있다.
도 17은 ACS Nano vol. 8 (2014)의 5864페이지에 실린 그래프로서,양자점의 표면에 코팅되는 다양한 리간드(ligand)의 에너지 밴드를 보여주는 그래프이다.
도 17을 참고하면, 양자점을 구성하는 반도체 나노 결정의 표면에 코팅되는 리간드의 종류에 따라서도 컨덕션 밴드와 밸런스 밴드가 달라질 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 제1 반도체층(31)과 제2 반도체층(32)을 구성하는 양자점은 반도체 나노 결정의 표면에 benzenethiol (BT), 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and 1,4-benzenedithiol (1,2-BDT, 1,3-BDT, and 1,4-BDT), 1,2-ethanedithiol(EDT), 및 3-mercaptopropionic acid (MPA)을 포함하는 티올(thiol)계, 1,2-ethylenediamine (EDA)], ammonium thiocyanate (SCN)을 포함하는 아민(amine)계, tetrabutylammonium iodide (TBAI), bromide (TBABr), chloride (TBACl), 및 fluoride (TBAF) 와 같이 요오드(iodine), 브롬(bromine), 염소(chlorine), 불소(fluorine)을 포함하는 할로겐(halide)계 등 리간드(ligand)를 선택적으로 코팅하여 형성할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10: 기판 20: 전자 회로부
30: 포토컨덕터 41: 컬러 필터
42: 마이크로 렌즈층 31: 제1 반도체층
32: 제2 반도체층 33: 제1 전극
34: 제2 전극 35: 게이트 전극

Claims (21)

  1. 제1 반도체층,
    상기 제1 반도체층 위에 배치되어 있는 제2 반도체층,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 한 측면에 접촉하는 제1 전극 및
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 다른 측면에 접촉하는 제2 전극
    을 포함하고, 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 제2형 접합 또는 유사 제2형 접합을 형성하고,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 각각 양자점 물질을 적층하여 형성하며,
    상기 양자점 물질은 Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, GaP, GaAs, GaSb, In2S3, In2Se3, In2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4을 포함하는 IV, II-VI, III-V, III2-VI3, I-III-VI2, I2-II-IV-VI4 족 반도체 및 이들의 혼합 중에서 선택된 적어도 하나의 나노 결정과 상기 나노 결정의 표면에 코팅된 리간드를 포함하고,
    상기 리간드는 benzenethiol (BT), 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and 1,4-benzenedithiol (1,2-BDT, 1,3-BDT, and 1,4-BDT), 1,2-ethanedithiol(EDT), 및 3-mercaptopropionic acid (MPA)을 포함하는 티올(thiol)계, 1,2-ethylenediamine (EDA)], ammonium thiocyanate (SCN)을 포함하는 아민(amine)계, tetrabutylammonium iodide (TBAI), bromide (TBABr), chloride (TBACl), 및 fluoride (TBAF) 와 같이 요오드(iodine), 브롬(bromine), 염소(chlorine), 불소(fluorine)을 포함하는 할로겐(halide)계 중에서 적어도 하나를 포함하는 포토컨턱터.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 반도체층의 컨덕션 밴드와 상기 제2 반도체층의 컨덕션 밴드의 에너지 차이 및 상기 제1 반도체층의 밸런스 밴드와 상기 제2 반도체층의 밸런스 밴드의 에너지 차이가 모두 0.1eV 이상인 포토컨덕터.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 두께가 각각 5 nm 에서 500 nm 까지인 포토컨덕터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 나노 결정의 크기는 1nm~50nm인 포토컨덕터.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 반도체층의 아래 및 상기 제2 반도체층의 위 중 적어도 하나에 배치되어 있는 제3 전극을 더 포함하는 포토컨턱터.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 유사 제2형 접합을 형성하는 포토컨턱터.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 반도체층의 컨덕션 밴드와 상기 제2 반도체층의 컨덕션 밴드의 에너지 차이는 0.1ev 미만이고, 상기 제1 반도체층의 밸런스 밴드와 상기 제2 반도체층의 밸런스 밴드의 에너지 차이는 0.1eV 이상인 포토컨덕터.
  10. 제9항에서,
    상기 제3 전극에는 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층으로 입사하는 광량에 따라서 다른 전압을 인가하는 포토컨덕터.
  11. 제10항에서,
    상기 제3 전극에 인가하는 전압의 범위는 -40V에서 40V인 포토 컨덕터.
  12. 제11항에서,
    상기 제3 전극에 인가하는 전압의 범위는 -5V에서 5V인 포토 컨덕터.
  13. 제1항에서,
    상기 제2 반도체층 위에 배치되어 있는 제3 반도체층,
    상기 제3 반도체층 위에 배치되어 있는 제4 반도체층
    을 더 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층의 한 측면과도 접촉하고, 상기 제2 전극은 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층의 다른 측면과도 접촉하는 포토 컨덕터.
  14. 제13항에서,
    상기 제3 반도체층과 상기 제4 반도체층은 제1형 접합 또는 유사 제2형 접합을 형성하는 포토컨턱터.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 반도체층, 상기 제2 반도체층, 상기 제3 반도체층 및 상기 제4 반도체층은 각각 양자점 물질을 적층하여 형성하며, Si, Ge, CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, InP, InAs, InSb, GaP, GaAs, GaSb, In2S3, In2Se3, In2Te3, Ga2S3, Ga2Se3, Ga2Te3, Bi2S3, Bi2Se3, Bi2Te3, CuInS2, CuGaS2, CuInSe2, CuGaSe2, Cu2ZnSnS4, Cu2ZnSnSe4을 포함하는 IV, II-VI, III-V, III2-VI3, I-III-VI2, I2-II-IV-VI4 족 반도체 및 이들의 혼합 중에서 선택된 적어도 하나의 나노 결정을 포함하는 포토컨덕터.
  16. 제15항에서,
    상기 양자점 물질은 상기 나노 결정의 표면에 코팅된 리간드를 포함하고, 상기 리간드는 benzenethiol (BT), 1,2-benzenedithiol, 1,3-benzenedithiol, and 1,4-benzenedithiol (1,2-BDT, 1,3-BDT, and 1,4-BDT), 1,2-ethanedithiol(EDT), 및 3-mercaptopropionic acid (MPA)을 포함하는 티올(thiol)계, 1,2-ethylenediamine (EDA)], ammonium thiocyanate (SCN)을 포함하는 아민(amine)계, tetrabutylammonium iodide (TBAI), bromide (TBABr), chloride (TBACl), 및 fluoride (TBAF) 와 같이 요오드(iodine), 브롬(bromine), 염소(chlorine), 불소(fluorine)을 포함하는 할로겐(halide)계 중에서 적어도 하나를 포함하는 포토컨덕터.
  17. 제16항에서,
    상기 나노 결정의 크기는 1nm~50nm인 포토컨덕터.
  18. 제1항의 포토컨덕터를 포함하는 이미지 센서.
  19. 제18항에서,
    상기 제1 반도체층의 아래 및 상기 제2 반도체층의 위 중 적어도 하나에 배치되어 있는 제3 전극을 더 포함하는 이미지 센서.
  20. 제19항에서,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층은 유사 제2형 접합을 형성하는 이미지 센서.
  21. 제20항에서,
    상기 제3 전극에는 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층으로 입사하는 광량에 따라서 다른 전압을 인가하는 이미지 센서.
KR1020140105230A 2014-08-13 2014-08-13 포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서 KR102296735B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140105230A KR102296735B1 (ko) 2014-08-13 2014-08-13 포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서
US14/666,057 US9608147B2 (en) 2014-08-13 2015-03-23 Photoconductor and image sensor using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140105230A KR102296735B1 (ko) 2014-08-13 2014-08-13 포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160020193A KR20160020193A (ko) 2016-02-23
KR102296735B1 true KR102296735B1 (ko) 2021-08-31

Family

ID=55302774

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140105230A KR102296735B1 (ko) 2014-08-13 2014-08-13 포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9608147B2 (ko)
KR (1) KR102296735B1 (ko)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9941433B2 (en) * 2014-12-11 2018-04-10 Vadient Optics, Llc Composite quantum-dot materials for photonic detectors
EP3242333B1 (en) * 2016-05-03 2020-09-09 Nokia Technologies Oy An apparatus and method of forming an apparatus comprising a graphene field effect transistor
US10528684B1 (en) 2017-12-04 2020-01-07 Synopsys, Inc. TCAD design template for fast prototyping of 2D and 3D CMOS image sensors
KR102491856B1 (ko) * 2017-12-18 2023-01-27 삼성전자주식회사 복수의 양자점층을 포함하는 광전 소자
CN109994561B (zh) * 2017-12-29 2021-01-01 Tcl科技集团股份有限公司 波长探测器
EP3618115A1 (en) * 2018-08-27 2020-03-04 Rijksuniversiteit Groningen Imaging device based on colloidal quantum dots
KR102536183B1 (ko) * 2020-11-27 2023-05-24 아주대학교산학협력단 2d-3d 이종접합 구조를 갖는 광 센서 및 이의 제조 방법
WO2023199728A1 (ja) * 2022-04-15 2023-10-19 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 組成物およびそれを用いた光電変換層の製造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010521802A (ja) * 2007-03-15 2010-06-24 フラウンホファー・ゲゼルシャフト・ツール・フォルデルング・デル・アンゲバンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン 高速光導電体
JP2013258223A (ja) * 2012-06-12 2013-12-26 Ricoh Co Ltd フォトトランジスタ

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE59502831D1 (de) * 1994-03-25 1998-08-20 Fraunhofer Ges Forschung Quantenschichtstruktur
US7742322B2 (en) 2005-01-07 2010-06-22 Invisage Technologies, Inc. Electronic and optoelectronic devices with quantum dot films
JP2009526370A (ja) * 2006-02-09 2009-07-16 キユーデイー・ビジヨン・インコーポレーテツド 半導体ナノ結晶およびドープされた有機材料を含む層を含むデバイスおよび方法
WO2007112088A2 (en) 2006-03-24 2007-10-04 Qd Vision, Inc. Hyperspectral imaging device
US8643058B2 (en) 2006-07-31 2014-02-04 Massachusetts Institute Of Technology Electro-optical device including nanocrystals
EP2432015A1 (en) 2007-04-18 2012-03-21 Invisage Technologies, Inc. Materials, systems and methods for optoelectronic devices
US8203195B2 (en) 2008-04-18 2012-06-19 Invisage Technologies, Inc. Materials, fabrication equipment, and methods for stable, sensitive photodetectors and image sensors made therefrom

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010521802A (ja) * 2007-03-15 2010-06-24 フラウンホファー・ゲゼルシャフト・ツール・フォルデルング・デル・アンゲバンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン 高速光導電体
JP2013258223A (ja) * 2012-06-12 2013-12-26 Ricoh Co Ltd フォトトランジスタ

Also Published As

Publication number Publication date
US20160049536A1 (en) 2016-02-18
US9608147B2 (en) 2017-03-28
KR20160020193A (ko) 2016-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102296735B1 (ko) 포토컨덕터 및 이를 이용한 이미지 센서
US10297703B2 (en) Materials, systems and methods for optoelectronic devices
US9812596B2 (en) Photoelectric device and electronic apparatus including the same
CN106252368B (zh) 图像传感器及其制造方法和包括图像传感器的光电系统
US9515126B2 (en) Photoelectric conversion device having improved external quantum efficiency and image sensor having the same
KR20190059667A (ko) 아발란치 광검출기 및 이를 포함하는 이미지 센서
US10431613B2 (en) Image sensor comprising nanoantenna
Wang Optical detectors
TWI618235B (zh) 量子點影像感測器
US8426845B2 (en) Long wavelength infrared superlattice
US20130043458A1 (en) Long Wavelength Infrared Superlattice
US20180027193A1 (en) Quantum film pixels with low readout noise
Klem et al. High-performance SWIR sensing from colloidal quantum dot photodiode arrays
TW201103132A (en) Solid-state image device, method for producing the same, and image pickup apparatus
US20160268345A1 (en) Semiconductor device and imaging device
Klem et al. Room temperature SWIR sensing from colloidal quantum dot photodiode arrays
CN111009586A (zh) 光电器件及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant