KR102320764B1 - 높은 광반응성 및 비검출능을 갖는 광센서 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
높은 광반응성 및 비검출능을 갖는 광센서 및 그의 제조방법을 개시한다. 상기 광센서는 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 반도체를 포함하는 반도체층; 상기 기판 및 상기 반도체층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 상에 형성되고, 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성되고, 절연체를 포함하는 베리어층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성되고, 상기 베리어층과 전기적으로 연결되지 않는 소스 전극; 상기 반도체층 상에 형성되고, 상기 제1 그래핀층과 전기적으로 연결되지 않는 드레인 전극; 및 상기 베리어층 상에 형성되고, 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층;을 포함할 수 있다. 본 발명은 적외선을 포함한 넓은 분광영역(spectral range)에서 광검출이 가능한 광센서를 제공할 수 있으며, 본 발명의 광센서는 추가적인 게이트 전극이 필요하지 않고, 높은 광반응성 및 높은 비검출능을 갖는 효과가 있다.
Description
본 발명은 광센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층 그래핀에 의한 포토게이팅(photogating) 효과로 인해 높은 광반응성을 가지며, 적외선을 포함한 넓은 분광 영역에서 광검출이 가능하고, 높은 비검출능을 갖는 광센서 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
광센서(photodetector)는 광 에너지를 전기적 신호로 바꾸어 주는 소자로 이미지 센싱, 통신 및 의료기기 등 다양한 분야에 활용된다. 현재는 높은 성능을 보이고 집적 기술이 축적되어 있는 실리콘(Si) 광센서와 인듐갈륨비소(InGaAs) 광센서가 각각 가시광선 영역과 근적외선 영역의 광검출에 주로 이용되고 있다.
그래핀은 2차원 탄소 물질로 뛰어난 전기전도도를 지니고 있고, 이론상 모든 파장대의 빛에서 전기신호를 발생시킬 수 있어 넓은 분광영역(spectral range)에서 구동하는 광전소자에 응용가능하다. 특히, 저조도(low-level)의 적외선을 효과적으로 검출하기 위해서 인듐갈륨비소 광센서가 저온(77K)에서 구동되야 하는 것과 다르게, 그래핀은 상온에서도 높은 광반응성(photoresponsivity)으로 적외선을 전기신호로 변환할 수 있어, 그래핀이 차세대 광센서의 재료로 매우 주목받고 있다.
상기의 이유로, 그래핀의 전기전도도 변화를 이용한 다양한 그래핀-광센서가 많이 보고되어왔다. 하지만, 밴드갭이 없는 세미메탈인 그래핀은 오프 전류(off current) 값이 매우 크기 때문에 그래핀의 전기전도도를 이용한 광센서는 높은 암전류 (dark current)가 흐른다. 이는 광센서의 매우 낮은 비검출능(specific detectivity)으로 직결되어, 실제 응용에는 커다란 한계가 있다.
그래핀의 높은 암전류 문제를 해결하여 그래핀 광센서의 비검출능을 향상시키기 위해, 그래핀과 반도체 물질을 접합시켜 쇼트키 다이오드 구조를 구현하는 연구도 많이 진행되었다. 이 때, 반도체 물질은 3차원 물질인 실리콘 이외에도 2차원 물질인 이황화 텅스텐(WS2)과 같은 다양한 전이금속 칼코겐 화합물(Transition metal dichalcogenide)이 적용 가능함이 보고되었다. 이러한 그래핀 쇼트키 다이오드의 전류는 그래핀과 반도체 물질 사이에 쇼트키 배리어(Schottky barrier)에 의해 결정되므로 암전류를 크게 제한할 수 있다.
하지만, 그래핀과 반도체 사이의 쇼트키 배리어는 접합형성과정에서 제어하기 매우 어렵고, 쇼트키 배리어의 크기 및 쇼트키 접합면에 형성되는 전기장에 따라 광반응성이 매우 작아질 수 있다. 이를 보완하기 위해서는 소스/드레인 전극 이외에 쇼트키 접합면의 제어를 위한 추가적인 게이트 전극이 필수적이라는 단점을 지닌다.
또, 그래핀 쇼트키 다이오드가 검출하는 빛의 파장대가 그래핀 보다는 그래핀과 접하고 있는 반도체 물질의 흡수 파장대에 의해 결정되어, 적외선 영역에서는 광센서가 구동하지 않는다는 문제점도 보이고 있다.
본 발명의 목적은 적외선을 포함한 넓은 분광영역(spectral range)에서 광검출이 가능한 광센서를 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 목적은 추가적인 게이트 전극이 필요하지 않고, 높은 광반응성 및 높은 비검출능을 갖는 광센서 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 반도체를 포함하는 반도체층; 상기 기판 및 상기 반도체층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 상에 형성되고, 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성되고, 절연체를 포함하는 베리어층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성되고, 상기 베리어층과 전기적으로 연결되지 않는 소스 전극; 상기 반도체층 상에 형성되고, 상기 제1 그래핀층과 전기적으로 연결되지 않는 드레인 전극; 및 상기 베리어층 상에 형성되고, 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층;을 포함하는 광센서가 제공된다.
또한 상기 반도체층이 상기 기판의 일부 상에 형성될 수 있고, 상기 제1 그래핀층이 상기 기판의 타부 및 상기 반도체층 상에 형성될 수 있고, 상기 베리어층이 상기 반도체층 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 형성될 수 있고, 상기 소스 전극이 상기 기판의 타부 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 형성될 수 있다.
또한 상기 제1 그래핀층이 상기 반도체층 상에 형성될 수 있다.
또한 상기 기판이 절연기판일 수 있다.
또한 상기 반도체층과 상기 제1 그래핀층 사이에 쇼트키 접합(schottky junction)이 형성될 수 있다.
또한 상기 제2 그래핀층의 그래핀이 상기 제1 그래핀층의 그래핀보다 더 많이 p-도핑될 수 있다.
또한 상기 제1 그래핀층 및 제2 그래핀층이 각각 독립적으로 단일층 그래핀, 2중층 그래핀 및 다층 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 제1 그래핀층이 단일층 그래핀을 포함하고, 상기 제2 그래핀층이 3 내지 10층의 다층 그래핀을 포함할 수 있다.
또한 상기 반도체가 MX2로 표시되는 칼코겐 화합물을 포함하고, M은 전이금속 원소이고, X는 칼코겐 원소일 수 있다.
또한 상기 전이금속 원소가 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 바나듐(V), 납(Pd), 나이오븀(Nb), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 스칸듐(Sc), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 칼코겐 원소가 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 절연체가 육방정계 질화붕소(Hexagonal boron nitride, HBN), MX2로 표시되는 칼코겐 화합물, 이산화규소(SiO2) 및 오산화탄탈럼(Ta2O5)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, M은 전이금속 원소이고, X는 칼코겐 원소일 수 있다.
또한 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 서로 같거나 다르고 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, 그래핀(graphene) 및 인듐틴옥사이드(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, (a) 기판 상에 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 단계; (b) 상기 기판 및 상기 반도체층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성하는 단계; (c) 상기 제1 그래핀층 상에 소스 전극을 형성하는 단계; (d) 상기 반도체층 상에 드레인 전극을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 소스 전극은 상기 베리어층과 전기적으로 연결되지 않고, 상기 드레인 전극은 상기 제1 그래핀층과 전기적으로 연결되지 않는 것인 광센서의 제조방법이 제공된다.
또한 단계 (a)는 기판의 일부 상에 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 단계 (a')일 수 있고, 단계 (b)는 상기 기판의 타부 및 상기 반도체층 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성하는 단계 (b')일 수 있고, 단계 (c)는 상기 기판의 타부 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 소스 전극을 형성하는 단계 (c')일 수 있고, 단계 (e)는 상기 반도체층 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계 (e')일 수 있다.
또한 다른 하나의 실시예에 따르면, 단계 (b)는 상기 반도체층 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성하는 단계(b'')일 수 있다.
또한 상기 단계 (e)가 (e-1) 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층을 형성하는 단계; 및 (e-2) 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하여 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 다른 하나의 실시예에 따르면, 상기 단계 (e)가 (e-1') 절연체를 포함하는 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하여 적층체를 제조하는 단계; 및 (e-2') 상기 제1 그래핀층 상에 상기 적층체를 적층하여 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 각각 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, 그래핀(graphene) 및 인듐틴옥사이드(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 각각 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 금속을 증착 또는 전사(transfer)하여 형성될 수 있다.
본 발명은 적외선을 포함한 넓은 분광영역(spectral range)에서 광검출이 가능한 광센서를 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 광센서는 추가적인 게이트 전극이 필요하지 않고, 높은 광반응성 및 높은 비검출능을 갖는 효과가 있다.
도 1a는 실시예 1에 따라 제조된 광센서의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 1b는 실시예 3에 따라 제조된 광센서의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 빛이 없을 때(Dark)와 본 발명의 광센서에 빛이 조사될 때(Visible light)의 캐리어 이동(carrier transport)을 보여주는 밴드 다이어그램을 나타낸 개략도이다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프 및 파장에 따른 쇼트키 배리어 높이(ΦSB)를 나타낸 그래프(Inset)이다.
도 3b는 실시예 3에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 광센서에 다양한 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 광반응성(photoresponsivity, R) 및 비검출능(specific detectivity, D*)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 VD = 1V일 때, 실시예 1에 따라 제조된 광센서에 1Hz, 300pW, 640nm 파장의 빛을 조사했을 때 온-오프(on-off) 광 스위칭 하에서 광-유도 전류 응답(photo-induced current response)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광센서와 기존에 보고된 WS2 광센서 및 graphene/WS2 쇼트키 다이오드 광센서의 비검출능(specific detectivity) 및 광반응성(photoresponsivity)을 비교하여 나타낸 것이다.
도 8은 다층인 이황화텅스텐(multilayer WS2)의 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광센서에 10nW의 출력으로 780nm 및 980nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 2에 따라 제조된 광센서에 1,000nm 및 1,800nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 2에 따라 제조된 광센서의 다양한 파장에 따른 광반응성(photoresponsivity)을 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예 2에 따라 제조된 광센서의 다양한 파장에 따른 비검출능(specific detectivity)을 나타낸 그래프이다.
도 1b는 실시예 3에 따라 제조된 광센서의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 빛이 없을 때(Dark)와 본 발명의 광센서에 빛이 조사될 때(Visible light)의 캐리어 이동(carrier transport)을 보여주는 밴드 다이어그램을 나타낸 개략도이다.
도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프 및 파장에 따른 쇼트키 배리어 높이(ΦSB)를 나타낸 그래프(Inset)이다.
도 3b는 실시예 3에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 광센서에 다양한 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 광반응성(photoresponsivity, R) 및 비검출능(specific detectivity, D*)을 나타낸 그래프이다.
도 5는 VD = 1V일 때, 실시예 1에 따라 제조된 광센서에 1Hz, 300pW, 640nm 파장의 빛을 조사했을 때 온-오프(on-off) 광 스위칭 하에서 광-유도 전류 응답(photo-induced current response)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광센서와 기존에 보고된 WS2 광센서 및 graphene/WS2 쇼트키 다이오드 광센서의 비검출능(specific detectivity) 및 광반응성(photoresponsivity)을 비교하여 나타낸 것이다.
도 8은 다층인 이황화텅스텐(multilayer WS2)의 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광센서에 10nW의 출력으로 780nm 및 980nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예 2에 따라 제조된 광센서에 1,000nm 및 1,800nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예 2에 따라 제조된 광센서의 다양한 파장에 따른 광반응성(photoresponsivity)을 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예 2에 따라 제조된 광센서의 다양한 파장에 따른 비검출능(specific detectivity)을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 광센서의 구조를 나타낸 개략도이다. 이하, 도 1a 및 1b를 참조하여 본 발명의 광센서에 대해 설명하도록 한다.
본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성되고, 반도체를 포함하는 반도체층; 상기 기판 및 상기 반도체층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 상에 형성되고, 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성되고, 절연체를 포함하는 베리어층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성되고, 상기 베리어층과 전기적으로 연결되지 않는 소스 전극; 상기 반도체층 상에 형성되고, 상기 제1 그래핀층과 전기적으로 연결되지 않는 드레인 전극; 및 상기 베리어층 상에 형성되고, 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층;을 포함하는 광센서가 제공된다.
도 1a를 참조하면, 상기 반도체층은 상기 기판의 일부 상에 형성될 수 있고, 상기 제1 그래핀층은 상기 기판의 타부 및 상기 반도체층 상에 형성될 수 있고, 상기 베리어층은 상기 반도체층 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 형성될 수 있고, 상기 소스 전극은 상기 기판의 타부 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 형성될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 상기 제1 그래핀층은 상기 반도체층 상에 형성될 수 있다.
상기 기판은 절연기판일 수 있다.
상기 반도체층과 상기 제1 그래핀층 사이에 쇼트키 접합(schottky junction)이 형성될 수 있다.
상기 제2 그래핀층의 그래핀이 상기 제1 그래핀층 그래핀보다 더 많이 p-도핑 될 수 있다.
상기 제1 그래핀층 및 제2 그래핀층은 각각 독립적으로 단일층 그래핀, 2중층 그래핀 및 다층 그래핀으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 상기 제1 그래핀층은 단일층 그래핀을 포함할 수 있고, 상기 제2 그래핀층은 3층 내지 10층의 다층 그래핀을 포함할 수 있다.
상기 제2 그래핀층의 다층 그래핀의 층수는 3 내지 10층, 바람직하게는 3 내지 8층, 보다 바람직하게는 5층일 수 있다. 상기 제2 그래핀층의 다층 그래핀의 층수가 3층 미만이면 광 흡수량이 적어 바람직하지 않고, 10층을 초과하면 포토게이팅 효과가 더 이상 증가하지 않아 바람직하지 않다.
상기 반도체는 MX2로 표시되는 칼코겐 화합물을 포함하고, M은 전이금속 원소이고, X는 칼코겐 원소일 수 있다.
상기 전이금속 원소는 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 바나듐(V), 납(Pd), 나이오븀(Nb), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 스칸듐(Sc), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 텅스텐(W)을 포함할 수 있다.
상기 칼코겐 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 황(S)을 포함할 수 있다.
상기 절연체는 육방정계 질화붕소(Hexagonal boron nitride, HBN), MX2로 표시되는 칼코겐 화합물, 이산화규소(SiO2) 및 오산화탄탈럼(Ta2O5)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고, M은 전이금속 원소이고, X는 칼코겐 원소일 수 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 서로 같거나 다르고 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, 그래핀(graphene) 및 인듐틴옥사이드(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
도 2는 빛이 없을 때(Dark)와 본 발명의 광센서에 빛이 조사될 때(Visible light)의 캐리어 이동(carrier transport)을 보여주는 밴드 다이어그램을 나타낸 개략도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 광센서의 구동 원리에 대해 설명하도록 한다. 이때, 도 2에서 Bottom graphene은 제1 그래핀층, Top S-graphene은 제2 그래핀층을 의미한다.
빛이 없는 상태에서는 기본적으로 아래 식에 따른 그래핀/반도체 쇼트키 다이오드의 전류-전압 구동을 가지며, 낮은 암전류 값을 지니게 된다.
여기서, A는 면적(area), A*는 유효 리차드슨 상수(effective Richardson constant), T는 온도(temperature), kB는 볼츠만 상수(Boltzmann constant), η는 이상계수(ideality factor)이다.
이 때, 쇼트키 다이오드의 전류를 결정하는 쇼트키 배리어(ΦSB)는 제1 그래핀층(Bottom graphene)/반도체층(WS2) 접합면에서 아래층 그래핀(Bottom graphene)의 페르미 준위와 WS2의 전도대(conduction band)의 가장 낮은 에너지 준위 사이의 차이로 결정된다. 쇼트키 배리어가 크면 전류가 잘 흐르지 않고, 쇼트키 배리어가 작아지면 큰 전류가 흐를 수 있다.
광센서에 빛이 조사될 때, 반도체층의 WS2에서는 광생성된(photogenerated) 전자(electron)와 광생성된 정공(hole)이 발생한다. 이 중 광생성된 정공은 WS2에 머무는 반면, 광생성된 전자는 아래층 그래핀으로 이동하여 그래핀의 n-type 도핑을 유도한다. 이렇게 빛에 의해 채널층(여기서는, 아래층 그래핀)이 도핑되는 현상을 포토게이팅(photogating)이라고 한다. 이 포토게이팅의 결과로 아래층 그래핀/WS2의 쇼트키 배리어가 낮아지며, 다이오드의 전류가 크게 커진다.
이때, 반도체 물질인 WS2는 적외선의 빛을 흡수하지 않기 때문에, WS2의 포토게이팅 효과는 가시광선 영역에 한정된다.
한편, 제2 그래핀층(Top S-graphene)은 제1 그래핀층보다 강한 p-type 도핑이 되어있기 때문에, S-graphene과 아래층 그래핀 사이 베리어층인 터널링 장벽에 전기장이 형성되어 있으며 전기장의 방향은 아래층 그래핀에서 S-graphene을 향한다. 빛을 광센서에 조사하게 되면, S-graphene에서 광생성된 전자는 터널링 장벽의 전기장에 의해 아래층 그래핀으로 터널링하고, 광생성된 정공은 S-graphene에 남는다. 이러한 원리로 추가로 적층된 제2 그래핀층(S-graphene)/베리어층(터널링 장벽)은 반도체층인 WS2에 의한 포토게이팅에 더해 추가적인 포토게이팅 효과를 만들어 소자의 광반응성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 일반적인 그래핀에 비해 강하게 p-type 도핑되어 있는 S-graphene을 사용하기 때문에, 높은 재현성을 가지고 터널링 장벽 사이의 전기장 방향을 결정지을 수 있다. 따라서, 본 발명의 광센서는 제1 그래핀층과 반도체층 사이의 쇼트키 접합면의 제어를 위한 추가적인 게이트 전극이 필요하지 않으며, 2단자 소자로 구동 가능하다.
S-graphene은 가시광선 이외에도 적외선의 빛을 받아 광생성된 전자와 정공을 발생시킬 수 있어, 가시광선-적외선 영역에 이르는 빛에서 포토게이팅 효과를 지닌다. 이를 통해 소자의 분광영역을 넓힐 수 있다.
이하, 본 발명의 광센서의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.
먼저, 기판 상에 반도체를 포함하는 반도체층을 형성한다(단계 a).
단계 (a)는 기판의 일부 상에 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 단계 (a')일 수 있다.
다음으로, 상기 기판 및 상기
반도체층으로
이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성한다(단계 b).
단계 (b)는 상기 기판의 타부 및 상기 반도체층 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성하는 단계 (b')일 수 있다.
또한 다른 하나의 실시예에 따르면 단계 (b)는 상기 반도체층 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성하는 단계(b'')일 수 있다.
다음으로, 상기 제1 그래핀층 상에 소스 전극을 형성한다(단계 c).
단계 (c)는 상기 기판의 타부 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 소스 전극을 형성하는 단계 (c')일 수 있다.
다음으로, 상기 반도체층 상에 드레인 전극을 형성한다(단계 d).
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 각각 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, 그래핀(graphene) 및 인듐틴옥사이드(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 소스 전극 및 드레인 전극은 각각 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하고, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 금속을 증착 또는 전사(transfer)하여 형성될 수 있다.
마지막으로, 상기 제1
그래핀층
상에 절연체를 포함하는
베리어층
및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성한다(단계 e).
상기 소스 전극은 상기 베리어층과 전기적으로 연결되지 않고, 상기 드레인 전극은 상기 제1 그래핀층과 전기적으로 연결되지 않는다.
단계 (e)는 상기 반도체층 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계 (e')일 수 있다.
상기 단계 (e)는 (e-1) 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층을 형성하는 단계; 및 (e-2) 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하여 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한 다른 하나의 실시예에 따르면, 상기 단계 (e)는 (e-1') 절연체를 포함하는 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하여 적층체를 제조하는 단계; 및 (e-2') 상기 제1 그래핀층 상에 상기 적층체를 적층하여 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세하게 설명하도록 한다. 그러나 이는 예시를 위한 것으로서 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 광센서(S-graphene/hBN/graphene/WS
2
) 제조
도 1a를 참고하면, 스카치 테이프를 이용해 벌크 이황화텅스텐(bulk WS2)으로부터 박막의 WS2를 분리해 기판인 실리콘옥사이드(SiO2)의 일부 상에 위치시켜 WS2/SiO2를 제조하였다. 스카치테이프를 이용해 그래파이트로부터 박리된 단일층 그래핀을 상기 기판이 아닌 다른 SiO2 위에 전사하고, 그 위에 PMMA 지지층을 올리고 NaOH로 상기 SiO2를 녹여 PMMA/graphene을 분리한 다음 상기 WS2/SiO2의 SiO2의 타부 및 WS2층의 일부 상에 상기 단일층 그래핀을 전사(transfer)하여 단일층 그래핀/WS2 쇼트키 접합부를 형성하였다. 전사에 사용된 PMMA 지지층은 아세톤 세척을 통해 제거하였다. 상기 쇼트키 접합부가 아닌 즉, 상기 SiO2의 타부 상에 형성된 단일층 그래핀 상에 10-6 Torr의 진공환경에서 순차적으로 5 nm 팔라듐(Pd)과 15 nm 금(Au)을 3 Å/s의 증착속도로 증착하여 소스 전극을 형성하였다. 상기 쇼트키 접합부가 아닌 WS2층 상에 10-6 Torr의 진공환경에서 순차적으로 5 nm Pd과 15 nm Au를 3 Å/s의 증착속도로 증착하여 드레인 전극을 형성하였다.
스카치테이프를 이용해 절연체인 벌크 질화붕소(bulk hBN)로부터 박막의 hBN을 분리해 실리콘옥사이드(SiO2) 상에 위치시켜 hBN/SiO2를 제조하였다. 구리박막 상에 5층의 다층 그래핀을 합성한 후, 상기 다층 그래핀 상에 PMMA 지지층을 올리고 구리를 녹여낸 후, 물에 PMMA/다층 그래핀을 띄우고 상기 hBN/SiO2로 떠서 상기 hBN층 상에 다층 그래핀을 전사하여 다층 그래핀/hBN/SiO2을 제조하였다. 상기 다층 그래핀/hBN/SiO2의 다층 그래핀 위에 다시 PMMA 지지층을 올리고 NaOH를 이용해 SiO2를 녹여 PMMA/다층 그래핀/hBN을 분리한 후 이것을 상기 쇼트키 접합부의 단일층 그래핀 위에 전사하여 광센서(S-graphene/hBN/graphene/WS2)를 제조하였다. 전사에 사용된 PMMA 지지층은 아세톤 세척을 통해 제거하였다. 여기서, S-graphene은 다층 그래핀, graphene은 단일층 그래핀을 의미한다.
실시예 2: 광센서(S-graphene/WS
2
/graphene/WS
2
) 제조
절연체로 질화붕소(hBN)를 사용하는 대신에 이황화텅스텐(WS2)을 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 광센서(S-graphene/WS2/graphene/WS2)를 제조하였다.
실시예
3: 광센서 제조
도 1b를 참고하면, 스카치 테이프를 이용해 벌크 이황화텅스텐(bulk WS2)으로부터 박막의 WS2를 분리해 기판인 실리콘옥사이드(SiO2)의 전부 상에 위치시켜 WS2/SiO2를 제조하였다. 스카치테이프를 이용해 그래파이트로부터 박리된 단일층 그래핀을 상기 기판이 아닌 다른 SiO2 위에 전사하고, 그 위에 PMMA 지지층을 올리고 NaOH로 상기 SiO2를 녹여 PMMA/graphene을 분리한 다음 상기 WS2/SiO2의 WS2층의 일부 상에 상기 단일층 그래핀을 전사(transfer)하여 단일층 그래핀/WS2 쇼트키 접합부를 형성하였다. 전사에 사용된 PMMA는 아세톤 세척을 통해 제거하였다. 상기 쇼트키 접합부가 아닌 상기 단일층 그래핀 상에 10-6 Torr의 진공환경에서 순차적으로 5 nm 팔라듐(Pd)과 15 nm 금(Au)을 3 Å/s의 증착속도로 증착하여 소스 전극을 형성하였다. 상기 쇼트키 접합부가 아닌 WS2층 상에 10-6 Torr의 진공환경에서 순차적으로 5 nm Pd과 15 nm Au를 3 Å/s의 증착속도로 증착하여 드레인 전극을 형성하였다.
스카치테이프를 이용해 절연체인 벌크 질화붕소(bulk hBN)로부터 박막의 hBN을 분리해 실리콘옥사이드(SiO2) 상에 위치시켜 hBN/SiO2를 제조하였다. 구리박막 상에 5층의 다층 그래핀을 합성한 후, 상기 다층 그래핀 상에 PMMA 지지층을 올리고 구리를 녹여낸 후, 물에 PMMA/다층 그래핀을 띄우고 상기 hBN/SiO2로 떠서 상기 hBN층 상에 다층 그래핀을 전사하여 다층 그래핀/hBN/SiO2을 제조하였다. 상기 다층 그래핀/hBN/SiO2의 다층 그래핀 위에 다시 PMMA 지지층을 올리고 NaOH를 이용해 SiO2를 녹여 PMMA/다층 그래핀/hBN을 분리한 후 이것을 상기 쇼트키 접합부의 단일층 그래핀 위에 전사하여 광센서(S-graphene/hBN/graphene/WS2)를 제조하였다. 전사에 사용된 PMMA 지지층은 아세톤 세척을 통해 제거하였다. 여기서, S-graphene은 다층 그래핀, graphene은 단일층 그래핀을 의미한다.
비교예 1: 다층 그래핀을 포함하지 않는 광센서(hBN/graphene/WS
2
) 제조
스카치 테이프를 이용해 벌크 이황화텅스텐(bulk WS2)으로부터 박막의 WS2를 분리해 기판인 실리콘옥사이드(SiO2) 상에 위치시켜 WS2/SiO2를 제조하였다. 스카치테이프를 이용해 그래파이트로부터 박리된 단일층 그래핀을 상기 기판이 아닌 SiO2 위에 전사하고, 그 위에 PMMA 지지층을 올리고 NaOH로 상기 SiO2를 녹여 PMMA/graphene을 분리한 다음 상기 WS2/SiO2의 SiO2의 타부 및 WS2층 상에 상기 단일층 그래핀을 전사(transfer)하여 단일층 그래핀/WS2 쇼트키 접합부를 형성하였다. 상기 쇼트키 접합부가 아닌 즉, 상기 SiO2의 타부 상에 형성된 단일층 그래핀 상에 10-6 Torr의 진공환경에서 순차적으로 5 nm 팔라듐(Pd)과 15 nm 금(Au)을 3 Å/s의 증착속도로 증착하여 소스 전극을 형성하였다. 상기 쇼트키 접합부가 아닌 WS2층 상에 10-6 Torr의 진공환경에서 순차적으로 5 nm Pd과 15 nm Au를 3 Å/s의 증착속도로 증착하여 드레인 전극을 형성하였다.
스카치테이프를 이용해 벌크 질화붕소(bulk hBN)로부터 박막의 hBN을 분리해 실리콘옥사이드(SiO2) 상에 위치시켜 hBN/SiO2를 제조한 다음 hBN층 위에 PMMA 지지층을 올리고 NaOH를 이용해 SiO2를 녹여 PMMA/hBN층을 분리하였다. 이것을 상기 쇼트키 접합부의 단일층 그래핀 위에 전사하여 다층 그래핀을 포함하지 않는 광센서(hBN/graphene/WS2)를 제조하였다.
[시험예]
시험예
1: 가시광선 영역에서 광센서(S-
graphene
/
hBN
/
graphene
/WS
2
)의 특성 분석
파장이 405nm 및 640nm인 가시광선 영역의 빛을 조사했을 때 광센서의 특성을 분석하였다. 도 3a는 실시예 1에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력(power)으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다. 광센서의 특성을 정량적으로 분석하기 위해 아래 다이오드 방정식을 사용하였다.
여기서, A는 면적(area), A*는 유효 리차드슨 상수(effective Richardson constant), T는 온도(temperature), RS는 다이오드에 연결된 직렬 저항, kB는 볼츠만 상수(Boltzmann constant), η는 이상계수(ideality factor)이다.
상기 방정식을 사용하여 파장에 따른 쇼트키 장벽의 높이(ΦSB)를 계산해 도 3a의 Inset에 나타내었다. 도 3a를 참조하면, 빛이 없는 상태(Dark)에서 ΦSB가 0.70eV인 것에 비해 파장이 405nm 및 640nm인 가시광선 영역의 빛을 240pW의 출력으로 조사했을 때의 ΦSB는 각각 0.56eV 및 0.60eV로 ΦSB가 감소하였으며, 가시광선 영역의 빛을 조사했을 때 광센서의 전류가 암전류에 비해 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.
도 3b는 실시예 3에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력(power)으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다. 실시예 3에 따라 제조된 광센서의 경우, 소스 전극에 접촉하는 측정 장비의 팁 압력에 의해 그래핀이 손상되어 소스 전극과 드레인 전극이 WS2를 채널로 연결되어 빛에 의한 단일층 그래핀/WS2 쇼트키 접합의 변화를 측정하지 못하게 되지 않도록 액체금속(EGaIn, Eutectic gallium-indium liquid metal)을 소스 전극 위에 추가로 올린 후 팁을 접촉하여 소자의 전류를 측정하였다.
도 3b를 참조하면, 가시광선 영역의 빛을 조사했을 때 광센서의 전류가 실시예 1에 따라 제조된 광센서와 비슷한 수준에서 암전류에 비해 크게 향상됨을 확인할 수 있다. 이는 실시예 3의 광센서가 실시예 1의 광센서와 비교하여 그래핀 채널과 접촉하는 기재가 달라질 때 기재로 인한 도핑 효과로 그래핀 채널의 저항이 달라질 수 있지만, 다이오드의 전체 저항은 쇼트키 베리어에 의하여 주로 결정되어 전체 전류의 변화는 크지 않은 것을 알 수 있다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조된 광센서에 다양한 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 광반응성(photoresponsivity, R) 및 비검출능(specific detectivity, D*)을 나타낸 그래프이다. 도 4를 참조하면, 240pW의 낮은 출력의 빛에서 파장이 405nm일 때 R = 591 A/W, D* = 5.1×1012 Jones, 파장이 640nm일 때 R = 369 A/W, D* = 3.2×1012 Jones로 매우 높은 광반응성(> 100 A/W)과 비검출능 값(> 1012 Jones)을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이는 단일층 그래핀/WS2 쇼트키 접합부로 인해 낮은 암전류 즉, 높은 비검출능 특성을 가지며, 다층 그래핀 및 베리어층인 WS2에 의한 포토게이팅(photogating) 효과로 인해 높은 광반응성을 갖는 것이다.
도 5는 VD = 1V일 때, 1Hz, 300pW, 640nm 파장의 빛을 조사했을 때 온-오프(on-off) 광 스위칭 하에서 광-유도 전류 응답(photo-induced current response)을 나타낸 그래프이다. 도 5를 참조하면, 성공적인 온-오프 구동을 확인할 수 있었다.
시험예
2: 가시광선 영역에서 광센서인 S-
graphene
/
hBN
/
graphene
/WS
2
와 hBN/graphene/WS
2
의 특성 비교
실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광센서에 240pW의 출력으로 405nm 및 640nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 각각 도 3a 및 도 6에 나타내었다. 도 3a 및 6을 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 광센서(S-graphene/hBN/graphene/WS2)는 S-graphene 없이 반도체층인 WS2층의 포토게이팅 효과만으로 구동하는 비교예 1에 따라 제조된 광센서(hBN/graphene/WS2) 대비 훨씬 향상된 광전류를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광센서와 기존에 보고된 WS2 광센서 및 graphene/WS2 쇼트키 다이오드 광센서의 비검출능(specific detectivity) 및 광반응성(photoresponsivity)을 비교하여 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 기존에 보고된 WS2 광센서 및 graphene/WS2 쇼트키 다이오드 광센서와 비교예 1에 따라 제조된 광센서 대비 실시예 1에 따라 제조된 광센서의 광반응성과 비검출능이 가장 좋은 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
시험예
3:
근적외선
영역에서 광센서인 S-
graphene
/
hBN
/
graphene
/WS
2
와 hBN/graphene/WS
2
의 특성 비교
파장이 780nm 및 980nm인 근적외선 영역의 빛을 조사했을 때 광센서의 특성을 분석하였다. 도 8은 다층인 이황화텅스텐(multilayer WS2)의 흡광도를 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 이황화텅스텐의 광 흡수가 700nm보다 짧은 파장의 빛을 흡수하기 때문에 이보다 긴 파장의 빛을 조사 시 이황화텅스텐에 의한 포토게이팅 효과는 제외되고, 제2 그래핀층 및 베리어층에 의한 포토게이팅 효과만 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 광센서에 10nW의 출력으로 780nm 및 980nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 9를 참조하면, S-graphene이 있는 경우만 근적외선의 측정이 가능한 것을 확인할 수 있었다. S-graphene 없이는 WS2에 의한 포토게이팅 효과만 기대할 수 있는데 WS2가 980nm 파장의 빛을 흡수할 수 없어 비교예 1의 경우 측정 가능한 스펙트럼 범위가 제한적이다.
시험예
4: 가시광선-적외선 영역에서 광센서(S-
graphene
/WS
2
/
graphene
/WS
2
)의 특성 분석
도 10은 실시예 2에 따라 제조된 광센서(S-graphene/WS2/graphene/WS2)에 1,000nm 및 1,800nm 파장의 빛을 조사했을 때의 전류 및 전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 10을 참조하면, 매우 낮은 조도의 적외선 측정이 가능하며, 실시예 1에 비해 파장이 더 긴 장파장의 적외선 측정이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
도 11 및 도 12는 각각 실시예 2에 따라 제조된 광센서의 다양한 파장에 따른 광반응성(photoresponsivity) 및 비검출능(specific detectivity)을 나타낸 그래프이다. 도 11 및 12를 참조하면, 실시예 1에 따라 제조된 광센서의 베리어층인 hBN을 WS2로 대체하였을 때, 보다 넓은 파장대(300 ~ 1,800nm)에서 높은 광반응성 및 비검출능 값을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (20)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되고, 반도체를 포함하는 반도체층;
상기 기판 및 상기 반도체층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 상에 형성되고, 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층;
상기 제1 그래핀층 상에 형성되고, 절연체를 포함하는 베리어층;
상기 제1 그래핀층 상에 형성되고, 상기 베리어층과 전기적으로 연결되지 않는 소스 전극;
상기 반도체층 상에 형성되고, 상기 제1 그래핀층과 전기적으로 연결되지 않는 드레인 전극; 및
상기 베리어층 상에 형성되고, 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층;을 포함하고,
상기 반도체층과 상기 제1 그래핀층 사이에 쇼트키 접합(schottky junction)이 형성되고,
상기 제1 그래핀층이 단일층 그래핀을 포함하고, 상기 제2 그래핀층이 3층 내지 10층의 다층 그래핀을 포함하는 것인, 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 반도체층이 상기 기판의 일부 상에 형성되고,
상기 제1 그래핀층이 상기 기판의 타부 및 상기 반도체층 상에 형성되고,
상기 베리어층이 상기 반도체층 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 형성되고,
상기 소스 전극이 상기 기판의 타부 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 제1 그래핀층이 상기 반도체층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 기판이 절연기판인 것을 특징으로 하는 광센서. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제2 그래핀층의 그래핀이 상기 제1 그래핀층의 그래핀보다 더 많이 p-도핑된 것을 특징으로 하는 광센서. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 반도체가 MX2로 표시되는 칼코겐 화합물을 포함하고,
M은 전이금속 원소이고, X는 칼코겐 원소인 것을 특징으로 하는 광센서. - 제9항에 있어서,
상기 전이금속 원소가 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 바나듐(V), 납(Pd), 나이오븀(Nb), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 철(Fe), 스칸듐(Sc), 크로뮴(Cr), 망간(Mn), 코발트(Co) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서. - 제9항에 있어서,
상기 칼코겐 원소가 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 절연체가 육방정계 질화붕소(Hexagonal boron nitride, HBN), MX2로 표시되는 칼코겐 화합물, 이산화규소(SiO2) 및 오산화탄탈럼(Ta2O5)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하고,
M은 전이금속 원소이고, X는 칼코겐 원소인 것을 특징으로 하는 광센서. - 제1항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 서로 같거나 다르고 각각 독립적으로 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, 그래핀(graphene) 및 인듐틴옥사이드(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서. - (a) 기판 상에 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 단계;
(b) 상기 기판 및 상기 반도체층으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성하는 단계;
(c) 상기 제1 그래핀층 상에 소스 전극을 형성하는 단계;
(d) 상기 반도체층 상에 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 소스 전극은 상기 베리어층과 전기적으로 연결되지 않고,
상기 드레인 전극은 상기 제1 그래핀층과 전기적으로 연결되지 않고,
상기 반도체층과 상기 제1 그래핀층 사이에 쇼트키 접합(schottky junction)이 형성되고,
상기 제1 그래핀층이 단일층 그래핀을 포함하고, 상기 제2 그래핀층이 3층 내지 10층의 다층 그래핀을 포함하는 것인, 광센서의 제조방법. - 제14항에 있어서,
단계 (a)는 기판의 일부 상에 반도체를 포함하는 반도체층을 형성하는 단계 (a')이고,
단계 (b)는 상기 기판의 타부 및 상기 반도체층 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성하는 단계 (b')이고,
단계 (c)는 상기 기판의 타부 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 소스 전극을 형성하는 단계 (c')이고,
단계 (e)는 상기 반도체층 상에 형성된 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계 (e')인 것을 특징으로 하는 광센서의 제조방법. - 제14항에 있어서,
단계 (b)는 상기 반도체층 상에 그래핀을 포함하는 제1 그래핀층을 형성하는 단계(b'')인 것을 특징으로 하는 광센서의 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 단계 (e)가
(e-1) 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층을 형성하는 단계; 및
(e-2) 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하여 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서의 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 단계 (e)가
(e-1') 절연체를 포함하는 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하여 적층체를 제조하는 단계; 및
(e-2') 상기 제1 그래핀층 상에 상기 적층체를 적층하여 상기 제1 그래핀층 상에 절연체를 포함하는 베리어층 및 상기 베리어층 상에 그래핀을 포함하는 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서의 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 각각 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr, Zn, 그래핀(graphene) 및 인듐틴옥사이드(ITO)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서의 제조방법. - 제19항에 있어서,
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 각각 Au, Al, Ag, Be, Bi, Co, Cu, Cr, Cd, Fe, Ga, Hf, In, Ir, Mn, Mo, Mg, Ni, Nb, Pb, Pd, Pt, Rh, Re, Ru, Sb, Sn, Ta, Te, Ti, V, W, Zr 및 Zn로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속을 포함하고,
상기 소스 전극 및 드레인 전극이 상기 금속을 증착 또는 전사(transfer)하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광센서의 제조방법.
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| KR102561102B1 (ko) * | 2018-02-13 | 2023-07-28 | 삼성전자주식회사 | 2차원 절연체를 포함하는 근적외선 센서 |
-
2019
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