KR102409390B1 - 그래핀 소자 및 그 동작 방법 - Google Patents

그래핀 소자 및 그 동작 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102409390B1
KR102409390B1 KR1020150141049A KR20150141049A KR102409390B1 KR 102409390 B1 KR102409390 B1 KR 102409390B1 KR 1020150141049 A KR1020150141049 A KR 1020150141049A KR 20150141049 A KR20150141049 A KR 20150141049A KR 102409390 B1 KR102409390 B1 KR 102409390B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
graphene device
light
meta
layer
Prior art date
Application number
KR1020150141049A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170041517A (ko
Inventor
김언정
노영근
박연상
인치훈
최현용
Original Assignee
삼성전자주식회사
연세대학교 산학협력단
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, 연세대학교 산학협력단 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020150141049A priority Critical patent/KR102409390B1/ko
Priority to US15/070,484 priority patent/US9666675B2/en
Priority to EP16175662.2A priority patent/EP3154094A1/en
Publication of KR20170041517A publication Critical patent/KR20170041517A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102409390B1 publication Critical patent/KR102409390B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on semiconductor elements with at least one potential jump barrier, e.g. PN, PIN junction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/16—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed including, apart from doping materials or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic System
    • H01L29/1606—Graphene
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/76—Making of isolation regions between components
    • H01L21/762—Dielectric regions, e.g. EPIC dielectric isolation, LOCOS; Trench refilling techniques, SOI technology, use of channel stoppers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/45—Ohmic electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78603—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film characterised by the insulating substrate or support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772—Field effect transistors
    • H01L29/78—Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/786—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film
    • H01L29/78684—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film having a semiconductor body comprising semiconductor materials of Group IV not being silicon, or alloys including an element of the group IV, e.g. Ge, SiN alloys, SiC alloys
    • 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
    • H01L31/035272—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 characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/035281—Shape of the body
    • 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
    • H01L31/035272—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 characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/03529—Shape of the potential jump barrier or surface barrier
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/0121—Operation of devices; Circuit arrangements, not otherwise provided for in this subclass
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/03—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on ceramics or electro-optical crystals, e.g. exhibiting Pockels effect or Kerr effect
    • G02F1/0305—Constructional arrangements
    • G02F1/0316—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02296—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer
    • H01L21/02318—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/41—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions
    • H01L29/423—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape, relative sizes or dispositions not carrying the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/42312—Gate electrodes for field effect devices
    • H01L29/42316—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors
    • H01L29/4232—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate
    • H01L29/42384—Gate electrodes for field effect devices for field-effect transistors with insulated gate for thin film field effect transistors, e.g. characterised by the thickness or the shape of the insulator or the dimensions, the shape or the lay-out of the conductor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/4908—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET for thin film semiconductor, e.g. gate of TFT
    • 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
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Abstract

그래핀 소자 및 그 동작 방법을 제공한다. 본 그래핀 소자는 상호 이격되면서 방사 형상을 갖는 복수 개의 메타 원자와 상기 복수 개의 메타 원자 각각과 접하는 그래핀층을 포함하는 활성층 및 활성층을 덮는 유전체층을 포함한다.

Description

그래핀 소자 및 그 동작 방법{GRAPHENE DEVICE AND METHOD OF OPERATING OF THE GRAPHENE DEVICE}
본 개시는 메타 원자를 포함한 그래핀 소자에 관한 것이다.
그래파이트(graphite) 단원자층으로 분리된 그래핀(graphene)이 발견된 이후, 전기적, 기계적으로 우수한 특성으로 인해 많은 분야에서 차세대 소재로 각광받고 있다. 그래핀은 탄소 원자가 평면에 6각형으로 연결되어 있는 물질로 그 두께가 원자 한 층에 불과할 정도로 얇다. 반도체로 주로 쓰는 단결정 실리콘보다 100배 이상 빠르게 전기를 통하며 이론적으로 이동도가 200,000 cm2/Vs 이다. 구리보다 100배 많은 전기를 흘려도 문제가 없는 것으로 알려져 있어 전자 회로의 기초 소재로 관심을 받고 있다.
상기한 그래핀을 포함한 소자의 연구가 진행중에 있다.
본 개시는 메타 원자를 포함하는 그래핀 소자를 제공한다.
본 개시는 입사광을 필터링하는 그래핀 소자를 제공한다.
본 개시는 제어 광에 의해 입사광을 변조하는 그래핀 소자를 제공한다.
본 개시는 그래핀 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 유형에 따르는 그래핀 소자는, 기판; 상기 기판상에 배치되고, 상호 이격되면서 방사 형상을 갖는 복수 개의 메타 원자와 상기 복수 개의 메타 원자 각각과 접하는 그래핀층을 포함하는 활성층; 및 상기 기판상에 배치되며, 상기 활성층을 덮는 유전체층;을 포함한다.
그리고, 상기 복수 개의 메타 원자 중 적어도 하나는, 일부 영역을 공유하는 제1 및 제2 서브 메타 원자를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 서브 메타 원자 중 적어도 하나는 막대기 형상일 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 서브 메타 원자 중 적어도 하나는, 상기 일부 영역을 기준으로 대칭될 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 서브 메타 원자는 상기 일부 영역을 포함하는 축을 기준으로 서로 대칭일 수 있다.
그리고, 상기 제1 및 제2 서브 메타 원자 중 적어도 하나의 길이는 중적외선 대역의 파장보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 서브 메타 원자 중 적어도 하나의 길이는 1㎛이상 10㎛이하일 수 있다.
그리고, 상기 제1 서브 메타 원자의 두께는, 상기 제1 서브 메타 원자의 길이보다 작을 수 있다.
또한, 상기 메타 원자의 두께는, 50nm 이상 300nm이하일 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 메타 원자는 2차원의 격자 구조 타입으로 배열될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 메타 원자 중 적어도 하나는, 금속일 수 있다.
그리고, 상기 금속은, 금일 수 있다.
또한, 상기 유전체층은, 상기 그래핀층보다 유전율이 클 수 있다.
그리고, 상기 유전체층은, 이온겔을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 메타 원자 각각은 상기 기판상에 접하게 배치되고, 상기 그래핀층은 상기 복수 개의 메타 원자를 덮으면서 상기 기판상에 배치될 수 있다.
그리고, 상기 그래핀층은 상기 기판상에 접하게 배치되고, 상기 복수 개의 메타 원자 각각은 상기 그래핀층상에 접하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 기판은, 절연성 기판일 수 있다.
그리고, 상기 기판은, 사파이어 기판일 수 있다.
또한, 상기 기판상에 배치되면서 상기 유전체층에 접한 제1 전극;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극에 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층의 유전율이 변할 수 있다.
또한, 상기 그래핀 소자에 입사되는 입사광은, 상기 그래핀층과 상기 메타 원자의 계면에서 전류를 유도할 수 있다.
그리고, 상기 유도된 전류는, 상기 입사광 중 특정 파장 대역의 광을 반사시킬 수 있다.
또한, 상기 특정 파장 대역의 광은, 상기 그래핀층의 유전율에 따라 변할 수 있다.
그리고, 상기 입사광은, 중적외선 대역의 광일 수 있다.
또한, 상기 기판상에 배치되고, 상기 제1 전극을 사이에 두고 이격 배치되는 제2 및 제3 전극;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제2 및 제3 전극 각각은 상기 활성층과 접할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 상호 이격되면서 방사 형상을 갖는 복수 개의 메타 원자와 복수 개의 메타 원자 각각과 접하는 그래핀층을 포함하는 그래핀 소자의 동작 방법은, 제1 광이 입사되는 단계; 및 상기 제1 광 중 상기 그래핀층의 유전율에 대응하는 파장 대역의 제2 광을 반사시키는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 제2 광의 파장 대역은, 상기 그래핀층의 유전율에 비례할 수 있다.
또한, 상기 제1 광은, 중적외선 대역의 광일 수 있다.
그리고, 제3 광이 입사되는 단계;를 더 포함하고, 상기 제2 광은 상기 제3 광에 의해 광의 세기가 변할 수 있다.
또한, 상기 제3 광은 광학-펌프 펄스 형태일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 그래핀 소자의 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 X-X를 자른 단면도이다.
도 3은 도 1의 Y-Y를 자른 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 메타 원자의 확대도이다.
도 5a는 그래핀의 탄소 원자 배열에 대한 개념도이다.
도 5b는 그래핀의 페르미 준위 근처에서의 에너지 밴드 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 게이트 전압에 따른 그래핀의 에너지 변화를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 필터로 동작하는 그래핀 소자를 설명하는 참조도면이다. 메타 원자 모양 수정요
도 8은 그래핀층과 메타 원자의 계면에서 전자와 정공이 불균형 상태인 예를 도시한 도면이다. 메타 원자 모양 수정요
도 9a는 일 실시예에 따른 그래핀 소자에 입사된 광의 파장 대역을 나타내는 그래프이다.
도 9b는 일 실시예에 따른 그래핀 소자에서 반사된 광의 파장 대역을 나타내는 그래프이다.
도 10는 일 실시예에 따른 그래핀 소자의 큐팩터(Q-factor)를 나타내는 그래프이다.
도 11은 일 실시예에 따른 제어 광에 의해 광변조를 할 수 있는 그래핀 소자를 설명하는 참조도면이다.
도 12a 및 도 12b는 일 실시예에 따른 게이트 전압에 따라 그래핀 소자에서 반사되는 파를 설명한 참조도면이다.
도 13 내지 도 16b는 일 실시예에 따른 그래핀 소자의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 그래핀 소자를 도시한 도면이다.
도 18 내지 도 20은 일 실시예에 따른 그래핀 소자에 적용될 수 있는 메타 원자의 다른 예를 도시한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 도는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 발명을 상세히 설명하기로 한다. 하기 실시예는 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 상세한 설명 및 실시예로부터 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
도 1은 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)의 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 X-X를 자른 단면도이고, 도 3은 도 1의 Y-Y를 자른 단면도이며, 도 4는 도 1에 도시된 메타 원자(20)의 확대도이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 그래핀 소자(100)는 기판(10), 기판(10)상에 상호 이격 배치되며 방사 형상을 갖는 복수 개의 메타 원자(20), 기판(10)상에 배치되며 복수 개의 메타 원자(20)를 덮는 그래핀층(30) 및 그래핀층(30)을 덮는 유전체층(50)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 밴드갭이 큰 절연 물질로 형성될 수 있다. 절연 물질은 그래핀 소자(100)가 어떤 기능을 수행하는지 여부에 따라 선택될 수 있다. 예를 들어, 그래핀 소자(100)가 필터 또는 스위칭 소자로 동작하는 경우, 플라스틱 재질로 형성할 수도 있다. 이 때 기판(10)을 형성하는 플라스틱 재질은 다양한 유기물들 중 선택된 하나 이상일 수 있다.
또한, 그래핀 소자(100)가 광 제어(또는 제어 광)에 따라 광을 변조하는 광 변조기로 동작하는 경우, 기판(10)은 제어 광의 에너지 보다 에너지 밴드갭이 큰 물질로 형성될 수 있다. 기판(10)의 밴드갭이 제어 광의 에너지보다 커다 기판(10)과 제어 광 사이에 반응이 없기 때문이다. 기판(10)은 에너지 밴드갭이 큰 사파이어 기판일 수 있다.
복수 개의 메타 원자(20)는 상기한 기판(10)상에 상호 이격 배치될 수 있다. 복수 개의 메타 원자(20)는 격자 형태로 배열될 수 있다. 도 1에서는 복수 개의 메타 원자(20)가 2차원으로 배열된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 복수 개의 메타 원자(20)는 1차원으로 배열될 수 있음도 물론이다. 상기한 복수 개의 메타 원자(20)를 메타 물질이라고 칭할 수 있다.
메타 원자(20)는 일정 크기로 패터닝되어 구조화된 물질일 수 있다. 메타 원자(20)는 가시광선 대역의 파장보다 작은 크기일 수도 있고, 전자기파 또는 음파에 대하여 자연계에서 존재하지 않는 임-의의 굴절률을 가질 수도 있다. 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)에 포함된 메타 원자(20)는 입사광 중 특정 광을 반사시킬 수 있다.
메타 원자(20)는 특정 지점을 기준으로 외부로 뻗는 방사형일 수 있다. 도 4에서는 X 자형의 메타 원자(20)가 도시되어 있다. 메타 원자(20)의 크기 및 메타 원자(20)들간의 간격은 메타 원자(20)에 입사되는 광의 파장 등에 의해 결정될 수 있다. 입사광이 중적외선인 경우, 메타 원자(20)의 크기는 중적외선 파장 보다 작을 수 있다. 예를 들어, 메타 원자(20)의 가로(L) 및 세로(H)의 크기는 약 수 ㎛일 수 있으며, 메타 원자(20) 간의 간격은 약 수 백 nm이하일 수 있다. 예를 들어, 입사광의 파장이 약 3 내지 5㎛인 경우, 메타 원자(20)의 가로(L) 및 세로(H)의 크기는 각각 약 2.2㎛ 및 약3.6㎛이고, 메타 원자(20)의 두께(d)는 약 200nm일 수 있으며, 메타 원자(20)간의 간격은 약 400nm일 수 있다.
메타 원자(20)는 일부 영역(C)을 공유하는 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)는 폭이 좁은 막대 형상일 수 있다. 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)의 두께(d)는 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)의 길이(l)보다 작을 수 있다. 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)의 길이(l), 폭(w) 및 두께(d)는 입사광의 파장에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 입사광이 중적외선 광인 경우, 서브 메타 원자(20)의 길이, 폭(w) 및 두께(d)는 중적외선의 파장보다 작을 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)의 두께(d)는 약 50nm 이상 약 300nm이하이고, 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)의 길이(l)는 약 1㎛이상 10㎛이하일 수 있으며, 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)의 폭(w)은 약 50nm 이상 약 300nm이하일 수 있다, 예를 들어, 메타 원자(22, 24)의 폭(w)는 약 20nm일 수 있다.
제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24)는 일부 영역(C)을 기준으로 대칭될 수 있다. 상기한 일부 영역(C)은 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24) 각각의 중심 영역일 수 있다. 그리하여, 제1 및 제2 서브 메타 원자(22, 24) 각각은 일부 영역(C)을 기준으로 대칭될 수 있다. 뿐만 아니라, 제1 서브 메타 원자(22)는 상기한 일부 영역(C)을 기준으로 제2 서브 메타 원자(24)와 대칭일 수 도 있다. 예를 들어, 일부 영역(C)을 지나는 제1 축(X)을 기준으로 제1 서브 메타 원자(22)는 제2 서브 메타 원자(24)에 대칭일 수 있다.
메타 원자(20)는 자유 전자가 존재하는 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 메타 원자(20)은 금으로 형성될 수 있으며, 금 이외에도 자유 전자가 많은 다른 금속으로 형성될 수 있음은 물론이다.
그래핀층(30)은 기판(10)상에 배치되면서 복수 개의 메타 원자(20)를 덮는다. 그래핀층(30)을 구성하는 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 광흡수 특성과 광을 열로 변환시키는 효율 및 열전달 특성이 우수한 물질이다. 그래핀층(30)은 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD)으로 제조된 그래핀이 전사된 후 패터닝되어 형성될 수 있다. 또는, 그라파이트로부터 화학적 박리에 의해 그래핀을 박막화하여 사용할 수 있다.
그래핀층(30)은 복수 개의 메타 원자(20) 각각에 접하게 배치될 수 있다. 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)에 입사광이 입사되면, 입사광의 전기장에 의해 메타 원자(20)와 그래핀층(30)간의 계면에 전류가 발생하게 되고, 전류 중 특정 파장의 전류가 메타 원자(20)와 그래핀층(30)간의 계면에서 공진하게 된다. 그리하여 입사광 중 공진하는 전류의 파장과 동일한 파장의 광을 반사시킬 수 있다. 상기한 메타 원자(20)와 그래핀층(30)이 포함된 층을 활성층(40)이라고 할 수 있다.
그래핀 소자(100)는 그래핀층(30)을 덮는 유전체층(50)을 더 포함할 수 있다. 그래핀층(30)에는 후술하는 게이트 전압에 의해 전하가 축적될 수 있다. 그래핀층(30)의 전하 축적을 높이기 위해, 유전체층(50)의 유전율은 그래핀층(30)의 유전율보다 클 수 있다. 예를 들어, 유전체층(50)은 이온겔로 구성될 수 있다. 이온겔은 이온을 함유하고 있는 고분자 겔일 수 있다.
그래핀 소자(100)는 전기적 신호가 인가될 수 있는 하나 이상의 전극을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 그래핀 소자(100)는 상호 이격 배치되어 있는 제1 내지 제3 전극(62, 64, 66)을 더 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 전극(62, 64, 66)은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 물질 또는 전도성 산화물로 형성될 수 있다.
제1 내지 제3 전극(62, 64, 66)은 동일 평면상에 상호 이격되게 배치될 수 있다. 상기한 제1 내지 제3 전극(62, 64, 66) 각각은 드레인 전극(62), 소스 전극(64) 및 게이트 전극(66)일 수 있다. 이하, 제1 전극(62)을 드레인 전극, 제2 전극(64)을 소스 전극, 제3 전극(66)을 게이트 전극이라고 칭한다.
드레인 전극(62) 및 소스 전극(64) 각각은 활성층(40), 예를 들어, 그래핀층(30)에 접하게 배치될 수 있고, 게이트 전극(66)은 유전체층(50)을 사이에 두고 활성층(40)에 이격되게 배치될 수 있다. 즉, 게이트 전극(66)은 유전체층(50)에 접하게 배치될 수 있다.
게이트 전극(66)에 전압이 인가되면, 인가된 전압에 따라 그래핀층(30)의 페르미 준위가 변할 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 각각 그래핀의 탄소원자 배열 개념도와 페르미 준위 근처에서의 에너지 밴드 구조를 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 그래핀은 육각형 모양의 각 꼭지점에 탄소 원자가 위치한 벌집 모양의 구조를 지니고 있다. 도 5a에서 표시된 것처럼 서로 인접한 탄소 원자 두 개가 포함된 단위 셀에 대한 에너지 밴드 구조는 도 5b과 같다.
도 5b를 참조하면, 그래핀의 에너지 밴드 구조는 k공간에서 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)가 육각형 구조를 갖는 브릴루인 영역(Brillouin zone)의 각 꼭지점(valley)에서 만나게 되고 페르미 준위 근처에서 원뿔형태를 띠게 된다. 페르미 준위 근처에서 전하들의 에너지가 운동량에 비례하게 되고, 이는 질량이 없는 광자의 분산관계와 비슷하게 된다. 이는 그래핀 내에서의 전자의 유효질량이 제로(zero)가 됨을 의미하며, 그래핀 내의 운반자는 매우 빠른 속도(페르미 속도로 빛의 속도의 약 1/300)로 이동할 수 있음을 의미한다. 현재까지 그래핀 내부의 운반자 이동도는 약 20,000 cm2/Vs 내지 200,000 cm2/Vs의 높은 값을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, 그래핀은 고속의 스위칭 소자에 응용될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 게이트 전압에 따른 그래핀의 에너지 변화를 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 게이트 전극(66)에 양(+)의 전압을 인가하면, 그래핀의 페르미 준위가 EF0에서 전도대 쪽인 EF1으로 상승하게 되어 전도 가능한 전자의 수가 많아지게 된다. 한편, 게이트 전극(66)에 음(-)의 전압을 인가하면, 그래핀의 페르미 준위가 EF0에서 가전자대 쪽인 EF2로 하강하게 되어 전도 가능한 정공의 수가 많아지게 된다. 즉, 게이트에 인가하는 전압에 따라서 그래핀에 유도되는 전하를 결정할 수 있고, 그래핀 내부의 페르미 준위를 이동시킬 수 있다. 특히, 게이트에 인가되는 전압이 음의 전압인 경우, 그래핀은 유전체의 성질이 강해질 수 있다.
구체적으로, 그래핀의 페르미-준위는 게이트 전압에 의해 조절되고, 그래핀의 페르미-준위가 조절됨에 따라 그래핀의 유전율이 하기 수학식 1과 같이 변할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015097222945-pat00001
(Nano Lett., 12, 5598(2012))
여기서,
Figure 112015097222945-pat00002
는 유전 상수, E는 그래핀의 에너지 준위이며, EF는 그래핀의 페르미 준위, d는 그래핀의 두께, e는 전자의 전하,
Figure 112015097222945-pat00003
는 interband transition broadening이다.
상기한 수학식 1로부터 그래핀의 페르미 준위가 가전자대쪽으로 이동할수록 그래핀의 유전율은 증가한다. 그리하여, 그래핀에 인가되는 음의 게이트 전압에 대한 크기가 클수록 그래핀의 유전율은 증가할 수 있다.
상기한 유전율의 변화를 이용하여 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)는 입사광 중 특정 파장의 광을 반사시키는 필터로서 동작할 수 있다. 그리고, 상기한 특정 파장은 게이트 전압의 크기에 따라 조절될 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 필터로 동작하는 그래핀 소자(100)를 설명하는 참조도면이다. 도 7를 참조하면, 그래핀 소자(100)의 게이트 전극(66)에 특정 전압이 인가되면, 그래핀층(30)에 홀 또는 전자 농도가 증가하게 되어 그래핀의 페르미 준위가 변하고, 페르미 준위에 따라 그래핀층(30)의 유전율이 변할 수 있다. 그래핀층(30)의 유전율은 음의 게이트 전압에 대한 크기가 클수록 증가할 수 있다. 그리고, 상기한 그래핀층(30)의 유전율 증가는 활성층(40)의 커패시턴스를 증가시킬 수 있다.
한편, 그래핀 소자(100)에 입사광인 제1 광(Li)이 입사될 수 있다. 상기한 제1 광(Li)은 유전체층(50)을 통해 활성층(40)에 입사될 수 있다. 제1 광(Li)은, 예를 들어 중적외선 대역의 광일 수 있다.
제1 광(Li)이 활성층(40)에 입사되면, 제1 광(Li)의 전기장에 의해 그래핀층(30)과 메타 원자(20)의 계면에서 전자와 정공의 불균형이 발생하게 되고, 전자와 정공의 불균형에 따라 전류가 발생하게 된다.
도 8은 그래핀층(30)과 메타 원자(20)의 계면에서 전자와 정공이 불균형 상태인 예를 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 그래핀층(30)과 메타 원자(20)간의 계면에서 전자와 정공의 불균형에 따라 전류(J)가 발생할 수 있다. 전류(J)는 메타 원자(20)와 그래핀의 계면을 따라 흐르게 된다.
한편, 활성층(40)내 인던턱스는 상기한 전류를 유도(lead)하고, 활성층(40) 내 커패시턴스(capacitance)는 상기한 전류를 지연(lag)시킬 수 있다. 전류 중 유도 및 지연이 서로 상쇄된 전류는 메타 물질과 그래핀층(30)의 계면에서 공진하면서 제1 광 중 공진 파장과 동일한 파장을 갖는 광을 반사시킬 수 있다. 그리고, 공진 파장은 그래핀층(30)의 유전율에 비례하므로, 음의 게이트 전압에 대한 크기가 클수록 반사광의 파장도 클 수 있다.
HFSS(High Frequency Structure Simulation)을 이용하여 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)가 필터로 동작하는지 여부를 확인하였다. 메타 원자(20) 각각의 가로, 세로 및 두께를 각각 약 2.2㎛, 3.6㎛ 및 200nm로 하고, 메타 원자(20)간의 간격을 400nm로 설정하였다.
도 9a는 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)에 입사된 광의 파장 대역을 나타내는 그래프이다. 도 9a에 도시된 바와 같의 입사광은 약 3 내지 5 ㎛의 중적외선을 이용하였다. 도 9b는 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)에서 반사된 광의 파장 대역을 나타내는 그래프이다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 그래핀의 페르미 준위가 낮아질수록 반사광의 중심 파장이 증가함을 확인할 수 있다. 상기한 페르미 준위는 음의 게이트 전압에 대한 크기에 비례한다. 그리하여, 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)는 게이트 전압의 크기를 조절하여 반사되는 광의 파장을 선택할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 10는 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)의 큐팩터(Q-factor)를 나타내는 그래프이다. 도 10에 나타난 바와 같이, 그래핀의 페르미 준위가 변한다 하더라도 큐-팩터가 20이상으로 효율이 높음을 확인할 수 있다.
한편, 전기적 펄스를 이용한 광을 변조하게 되면, 변조 속도는 게이트 전극(66)의 컷오프 주파수에 의해 결정될 수 있다. 상용화된 전기적 펄스를 이용한 적외선 통신 기기의 정보 전달 속도는 약 1kHz 내지 약 100MHz이다.
그래핀 내의 광학 에너지를 갖는 전자가 상기한 광학 에너지를 방출하는 속도는 약 1ps이다. 이는 일반적으로 알려진 반도체 물질, 예를 들어, GaAs, Ge보다 약 1000배 정도 빠르다. 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)는 그래핀의 빠른 에너지 방출 속도를 이용하여 고속으로 광을 변조할 수 있다. 그래핀의 스위칭 속도가 약 수피코초이므로, 제어 광을 이용한 광 변조는 전기적 신호를 이용한 광 변조보다 빠르기 때문에 정보 전달 속도를 증가시킬 수 있다. 상기한 제어 광은 광학 펌프 펄스일 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)가 고속의 광 변조기로 이용되는 경우, 기판(10)은 제어 광의 에너지보다 밴드갭이 큰 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 기판(10)은 절연 기판일 수 있으며, 사파이어 기판일 수 있다.
예를 들어, 기판이 실리콘 기판인 경우, 실리콘은 간접형 밴드갭(indirect bandgap)을 가진 반도체 물질이므로 실리콘 내 전자의 광학 에너지 방출 속도는 약 1 us(microsecond)이다. 실리콘의 광학 에너지 방출 속도는 그래핀의 광학 에너지 방출 속도보다 훨씬 느리기 때문에 그래핀의 빠른 변조 속도보다 실리콘의 느린 변조 속도가 광 변조 속도에 더 영향을 미치게 된다. 따라서, 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)는 에너지 밴드갭이 높은 절연성 물질 위에 형성될 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 제어 광에 의해 광변조를 할 수 있는 그래핀 소자(100)를 설명하는 참조도면이다. 도 11을 참조하면, 변조 대상인 제1 광(Li)이 입사되면 게이트 전압의 제어하에 제1 광(Li) 중 특정 파장의 광인 제2 광(Lr)이 반사될 수 있다. 상기한 특정 파장은 게이트 전압의 크기에 따라 달라질 수 있다.
또한, 도 11의 그래핀 소자(100)에 제3 광(Lc)이 입사될 수 있다. 상기한 제3 광(Lc)은 제어 광으로서 펄스 타입일 수 있다. 제3 광(Lc)은 광학-펌프 펄스일 수 있다. 그래핀의 광학 에너지 방출 속도가 약 1ps초이므로, 제3 광(Lc)은 펨토초 광학 펌프 펄스일 수 있다.
광학 펌프에 의한 그래핀 내 전자의 광 여기는 그래핀의 온도를 상승시키고 그래핀의 저항을 증가시킨다. 광학 펌프에 의한 그래핀 내 전자의 광 방출은 그래핀의 온도를 하강시키고, 그래핀의 저항을 감소시킨다. 그래핀의 온도 변화는 수 피코초 단위로 매우 빠르기 때문에 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)는 제어 광에 의해 입사광을 변조시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)는 게이트 전압에 따라 제2 광의 파장 대역을 조절할 수 있으며, 다양한 파장 대역의 제2 광을 반사할 수 있음도 물론이다. 그리하여, 하나의 그래핀 소자(100)를 이용하여 다양한 종류의 장치에 정보를 제공할 수 있다. 도 12a 및 도 12b는 일 실시예에 따른 게이트 전압에 따라 그래핀 소자(100)에서 반사되는 파를 설명한 참조도면이다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 제어 광을 이용하면 수 피코초의 스위칭 속도로 제2 광의 세기가 제어 광의 펌프 온 또는 펌프-오프에 따라 변할 수 있다. 또한, 게이트 전압의 크기에 따라 제2 광의 파장도 조절될 수 있다. 도 12b에 도시된 제2 광의 파장을 도 12a에 도시된 제2 광의 파장보다 크게 하기 위해 음의 게이트 전압에 대한 크기를 크게 할 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 그래핀 소자(100)가 특정 광을 반사시키는 변조기로 이용되는 경우, 도 1에 도시된 그래핀 소자(100)의 드레인 전극(62) 및 소스 전극(64)은 필수 구성요소가 아니다. 그리하여, 변조기로 동작하는 그래핀 소자(100)는 드레인 전극(62) 및 소스 전극(64)을 포함하지 않아도 무방하다.
한편, 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)는 스위칭 소자로 이용될 수 있다. 예를 들어, 드레인 전극(62)과 소스 전극(64)에 소정의 전압이 인가된 상태에서 게이트 전극(66)의 전압 크기를 조절함으로써 드레인 전극(62)과 소스 전극(64)간의 전류 흐름을 제어할 수 있다. 도 13 내지 도 16b는 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 복수 개의 메타 원자(20)를 패터닝할 수 있다. 복수 개의 메타 원자(20)는 서로 이격 배치될 수 있으며 격자 형태로 배열될 수 있다. 상기한 복수 개의 메타 원자(20) 중 적어도 하나는 방사형일 수 있다. 기판(10)상에 전자빔 리소그래피(electron beam lithography) 방법으로 복수 개의 메타 원자(20)를 형성할 수 있다. 상기한 메타 원자는 금속으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 14에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 복수 개의 메타 원자(20)를 덮는 그래핀층(30)을 형성할 수 있다. 그래핀층(30)은 화학증기증착법(Chemical Vapor Deposition) 방식으로 합성될 수 있으며 합성된 그래핀층(30)이 전사될 수 있다.
화학 기상 증착법(CVD)을 이용한 그래핀의 합성 공정은 다음과 같다.
우선, 산화 실리콘(SiO2)층 (이외에 여러가지 절연기판위에 가능함)을 가지는 실리콘 웨이퍼를 준비한다. 이어, 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 철(Fe) 등의 금속 촉매를, 스퍼터링(sputtering) 장치, 전자빔 증발 장치(e-beam evaporator) 등을 이용하여, 준비된 산화 실리콘(SiO2)층에 증착시켜, 금속 촉매층을 형성한다.Cu foil에도 그래피이 형성될 수 잇음
다음으로, 금속 촉매층이 형성된 실리콘 웨이퍼와 탄소를 포함하는 가스(CH4, C2H2, C2H4, CO등)를 열화학 기상 증착이나 유도 결합 화학 기상 증착법(ICP-CVD, Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition)을 위한 반응기에 넣고 가열함으로써, 금속 촉매층에 탄소가 흡수되도록 한다. 이어, 급속히 냉각을 수행하여 금속 촉매 층으로부터 탄소를 분리시켜 결정화시키는 방법으로 그래핀을 성장시킨다.
이외에도 그래핀층(30)은 미세 기계적(micro-mechanical) 방법, 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition : CVD) 등에 의하여 형성될 수 있다. 미세 기계적 방법은 그래파이트 시료에 스카치 테이프를 붙인 다음 스카치 테이프를 떼어내어 스카치 테이프 표면에 그래파이트로부터 떨어져 나온 그래핀을 얻는 방식이다. SiC 결정 열분해 방법은 SiC 단결정을 가열하게 되면 표면의 SiC는 분해되어 Si은 제거되며, 남아 있는 카본(C)에 의하여 그래핀이 생성되는 원리이다. 그래핀층(30)은 상술한 바와 같은 그래핀의 합성 방법들 중 어느 하나에 한정되는 것은 아니며 여러 가지 방법을 이용하여 그래핀층(30)을 형성할 수 있다.
도 15a 및 도 15b에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 드레인 전극(62), 소스 전극(64) 및 게이트 전극(66)을 형성할 수 있다. 드레인 전극(62), 소스 전극(64) 및 게이트 전극(66)을 서로 이격되게 배치될 수 있다. 예를 들어, 드레인 전극(62), 소스 전극(64) 및 게이트 전극(66)은 기판(10)에 접하게 형성될 수 있다. 드레인 전극(62)과 소스 전극(64)은 서로 대면하게 배치될 수 있으며, 게이트 전극(66)은 드레인 전극(62)과 소스 전극(64) 사이에 배치될 수 있다. 드레인 전극(62)과 소스 전극(64)은 그래핀층(30)에 접할 수 있다. 게이트 전극(66)은 유전체층(50)을 사이에 두고 그래핀층(30)과 이격되게 배치될 수 있다.
드레인 전극(62), 소스 전극(64) 및 게이트 전극(66)은 화학기상증착법, 플라즈마 여기 CVD(plasma enhanced CVD, PECVD), 저압 CVD(low pressure CVD, LPCVD), 물리기상증착법(physical vapor deposition, PVD), 스퍼터링(sputtering), 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD) 등의 증착 방법에 의하여 형성할 수 있다. 드레인 전극(22)와 소스 전극(64)은 서로 교환될 수 있다.
도 16a 및 도 16b에 도시된 바와 같이, 그래핀층(30)을 덮는 유전체층(50)을 형성할 수 있다. 상기한 유전체층(50)은 드레인 전극(62), 소스 전극(64) 및 게이트 전극(66)의 적어도 일부 영역을 덮을 수 있다. 그리고, 상기한 유전체층(50)은 그래핀층(30)과 게이트 전극(66) 사이의 공간을 채워 그래핀층(30)과 게이트 전극(66)을 이격시킬 수 있다. 그리하여, 상기한 유전체층(50)이 게이트 전극(66)의 유전체층(50)이 될 수 있다. 유전체층(50)은 이온 겔(Ion-gel)로 형성될 수 있다.
도 17은 다른 실시예에 따른 그래핀 소자(100a)를 도시한 도면이다. 도 17의 그래핀 소자(100a)를 도 1의 그래핀 소자(100)와 비교하면, 도 17의 그래핀 소자(100a)는 기판(10)상이 그래핀층(30)이 배치되고, 그래핀층(30)상에 복수 개의 메타 원자(20)가 이격 배치되며, 유전체층(50)이 복수 개의 메타 원자(20)를 덮으면서 그래핀층(30)상에 배치될 수 있다. 전류 공진은 그래핀층(30)과 메타 원자(20)의 계면에서 발생하므로, 그래핀층(30)과 메타 원자(20)의 적층 순서가 바뀌어도 무방하다.
도 18 내지 도 20은 일 실시예에 따른 그래핀 소자(100)에 적용될 수 있는 메타 원자의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 18에 도시된 바와 같이, 메타 원자(20a)는 십자형으로 형성된 제1 및 제2 서브 메타 원자(22a, 24a)를 포함할 수 있다. 두 개의 제1 및 제2 서브 메타 원자(22a, 24a)는 가운데 영역을 공유할 수 있고, 제1 및 제2 서브 메타 원자(22a, 24a)간의 사이각이 90도일 수 있다. 제1 서브 메타 원자(22a) 및 제2 서브 메타 원자(24a)는 공진 파장이 같으면서 편광 특성이 다른 광을 반사시킬 수 있다. 그리하여, 반사되는 파의 유효 파장 대역을 좁게 할 수 있다.
또는, 도 19에 도시된 바와 같이, 메타 원자(20b)는 세 개 이상의 서브 메타 원자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메타 원자(20)는 제1 내지 제3 서브 메타 원자(22b, 24b, 26)를 포함할 수 있다. 상기한 제1 내지 제3 서브 메타원자(22b, 24b, 26c)는 일부 영역(C)을 공유할 수 있다. 또는, 도 20에 도시된 바와 같이, 메타 원자(20c)는 곡선형의 복수 개의 서브 메타 원자(22c, 24c)를 포함할 수도 있다.
이제까지 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 그래핀 소자
10: 기판
20: 메타 원자
22: 제1 서브 메타 원자
24: 제2 서브 메타 원자
30: 그래핀층
40: 활성층
50: 유전체층
66: 게이트 전극

Claims (31)

  1. 그래핀 소자에 있어서,
    기판;
    상기 기판상에 배치되고, 상호 이격되면서 방사 형상을 갖는 복수 개의 메타 원자와 상기 복수 개의 메타 원자 각각과 접하는 그래핀층을 포함하는 활성층; 및
    상기 기판상에 배치되며, 상기 활성층을 덮는 유전체층;을 포함하고,
    상기 그래핀 소자에 입사되는 입사광은,
    상기 그래핀층과 상기 메타 원자의 계면에서 전류를 유도하는 그래핀 소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 메타 원자 중 적어도 하나는,
    일부 영역을 공유하는 제1 및 제2 서브 메타 원자를 포함하는 그래핀 소자.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브 메타 원자 중 적어도 하나는 막대기 형상인 그래핀 소자.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브 메타 원자 중 적어도 하나는,
    상기 일부 영역을 기준으로 대칭되는 그래핀 소자.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브 메타 원자는
    상기 일부 영역을 포함하는 축을 기준으로 서로 대칭인 그래핀 소자.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브 메타 원자 중 적어도 하나의 길이는
    중적외선 대역의 파장보다 작은 그래핀 소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 서브 메타 원자 중 적어도 하나의 길이는
    1㎛이상 10㎛이하인 그래핀 소자.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 서브 메타 원자의 두께는,
    상기 제1 서브 메타 원자의 길이보다 작은 그래핀 소자.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 메타 원자의 두께는,
    50nm 이상 300nm이하인 그래핀 소자.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 메타 원자는 2차원의 격자 구조 타입으로 배열된 그래핀 소자.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 메타 원자 중 적어도 하나는,
    금속인 그래핀 소자.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 금속은,
    금인 그래핀 소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체층은,
    상기 그래핀층보다 유전율이 큰 그래핀 소자.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 유전체층은,
    이온겔을 포함하는 그래핀 소자.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 메타 원자 각각은 상기 기판상에 접하게 배치되고,
    상기 그래핀층은 상기 복수 개의 메타 원자를 덮으면서 상기 기판상에 배치되는 그래핀 소자.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 그래핀층은 상기 기판상에 접하게 배치되고,
    상기 복수 개의 메타 원자 각각은 상기 그래핀층상에 접하게 배치되는 그래핀 소자.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은
    절연성 기판인 그래핀 소자.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 기판은,
    사파이어 기판인 그래핀 소자.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 기판상에 배치되면서 상기 유전체층에 접한 제1 전극;을 더 포함하는 그래핀 소자.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 제1 전극에 인가되는 전압에 따라 상기 그래핀층의 유전율이 변하는 그래핀 소자.
  21. 삭제
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 유도된 전류는,
    상기 입사광 중 특정 파장 대역의 광을 반사시키는 그래핀 소자.
  23. 제 22항에 있어서,
    상기 특정 파장 대역의 광은,
    상기 그래핀층의 유전율에 따라 변하는 그래핀 소자.
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 입사광은,
    중적외선 대역의 광인 그래핀 소자.
  25. 제 19항에 있어서,
    상기 기판상에 배치되고, 상기 제1 전극을 사이에 두고 이격 배치되는 제2 및 제3 전극;을 더 포함하는 그래핀 소자.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 제2 및 제3 전극 각각은 상기 활성층과 접하는 그래핀 소자.
  27. 상호 이격되면서 방사 형상을 갖는 복수 개의 메타 원자와 복수 개의 메타 원자 각각과 접하는 그래핀층을 포함하는 그래핀 소자의 동작 방법에 있어서,
    제1 광이 입사되는 단계; 및
    상기 제1 광 중 상기 그래핀층의 유전율에 대응하는 파장 대역의 제2 광을 반사시키는 단계;를 포함하는 그래핀 소자의 동작 방법.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 제2 광의 파장 대역은,
    상기 그래핀층의 유전율에 비례하는 그래핀 소자의 동작 방법.
  29. 제 27항에 있어서,
    상기 제1 광은,
    중적외선 대역의 광인 그래핀 소자의 동작 방법.
  30. 제 27항에 있어서,
    제3 광이 입사되는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제2 광은 상기 제3 광에 의해 에너지의 세기가 변하는 그래핀 소자의 동작 방법.
  31. 제 30항에 있어서,
    상기 제3 광은 광학-펌프 펄스 형태인 그래핀 소자의 동작 방법.
KR1020150141049A 2015-10-07 2015-10-07 그래핀 소자 및 그 동작 방법 KR102409390B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150141049A KR102409390B1 (ko) 2015-10-07 2015-10-07 그래핀 소자 및 그 동작 방법
US15/070,484 US9666675B2 (en) 2015-10-07 2016-03-15 Graphene device and method of operating the same
EP16175662.2A EP3154094A1 (en) 2015-10-07 2016-06-22 Graphene device and method of operating the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150141049A KR102409390B1 (ko) 2015-10-07 2015-10-07 그래핀 소자 및 그 동작 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170041517A KR20170041517A (ko) 2017-04-17
KR102409390B1 true KR102409390B1 (ko) 2022-06-15

Family

ID=56296503

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150141049A KR102409390B1 (ko) 2015-10-07 2015-10-07 그래핀 소자 및 그 동작 방법

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9666675B2 (ko)
EP (1) EP3154094A1 (ko)
KR (1) KR102409390B1 (ko)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107134608B (zh) * 2017-04-24 2019-04-19 中国计量大学 基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关
DE102017209466A1 (de) * 2017-06-06 2018-12-06 Robert Bosch Gmbh Filterelement für einen spektralen Sensor und Verfahren zum Herstellen eines Filterelements für einen spektralen Sensor
CN108365305B (zh) * 2018-01-16 2020-12-22 成都信息工程大学 一种微波透镜滤波器及其滤波方法
CN108490647B (zh) * 2018-03-13 2020-06-23 清华大学 基于石墨烯与纳米天线阵列的可调谐定向波导信号探测器
KR102013410B1 (ko) * 2018-05-11 2019-09-25 재단법인차세대융합기술연구원 메타 원자를 포함하는 음향 메타물질 및 이를 포함하는 스피커 모듈
KR20200124446A (ko) * 2019-04-24 2020-11-03 한국과학기술원 광소자 및 그의 제조방법
CN112203209B (zh) * 2020-10-12 2021-11-23 宁波石墨烯创新中心有限公司 一种静电扬声器振膜的制备方法和装置
CN115172507A (zh) * 2022-07-27 2022-10-11 重庆金融科技研究院 一种位置敏感探测器及其制备方法
CN116154484B (zh) * 2023-04-04 2023-07-04 湖南工商大学 一种双通道太赫兹完全吸收器件

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130314765A1 (en) * 2012-05-25 2013-11-28 The Trustees Of Boston College Metamaterial Devices with Environmentally Responsive Materials

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100871564B1 (ko) 2006-06-19 2008-12-02 삼성전기주식회사 카메라 모듈
US8269168B1 (en) 2007-04-30 2012-09-18 Physical Logic Ag Meta materials integration, detection and spectral analysis
US8895352B2 (en) * 2009-06-02 2014-11-25 International Business Machines Corporation Method to improve nucleation of materials on graphene and carbon nanotubes
US8164089B2 (en) * 2009-10-08 2012-04-24 Xerox Corporation Electronic device
US8445320B2 (en) * 2010-05-20 2013-05-21 International Business Machines Corporation Graphene channel-based devices and methods for fabrication thereof
KR20120034349A (ko) * 2010-10-01 2012-04-12 성균관대학교산학협력단 플렉시블 전계효과 트랜지스터 및 이의 제조 방법
US8693881B2 (en) 2010-11-19 2014-04-08 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Optical hetrodyne devices
US8546246B2 (en) * 2011-01-13 2013-10-01 International Business Machines Corporation Radiation hardened transistors based on graphene and carbon nanotubes
US8785911B2 (en) * 2011-06-23 2014-07-22 International Business Machines Corporation Graphene or carbon nanotube devices with localized bottom gates and gate dielectric
CN102564589B (zh) 2011-12-20 2013-07-24 华中科技大学 一种多波段动目标光谱特征探测识别方法和装置
KR101401283B1 (ko) 2012-10-09 2014-05-29 한국표준과학연구원 광 위상 변조 검출 장치 및 그 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130314765A1 (en) * 2012-05-25 2013-11-28 The Trustees Of Boston College Metamaterial Devices with Environmentally Responsive Materials

Also Published As

Publication number Publication date
US20170104071A1 (en) 2017-04-13
KR20170041517A (ko) 2017-04-17
US9666675B2 (en) 2017-05-30
EP3154094A1 (en) 2017-04-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102409390B1 (ko) 그래핀 소자 및 그 동작 방법
Zhang et al. Electromagnetic functions of patterned 2D materials for micro–nano devices covering GHz, THz, and optical frequency
Ahmadivand et al. Gated graphene island-enabled tunable charge transfer plasmon terahertz metamodulator
Kindness et al. Active control of electromagnetically induced transparency in a terahertz metamaterial array with graphene for continuous resonance frequency tuning
Shi et al. THz photonics in two dimensional materials and metamaterials: properties, devices and prospects
Gao et al. Physics of transparent conductors
Si et al. Scalable preparation of high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance field-effect transistors
Gao et al. High-contrast terahertz wave modulation by gated graphene enhanced by extraordinary transmission through ring apertures
Hu et al. Ultrafast terahertz transmission/group delay switching in photoactive WSe2-functionalized metaphotonic devices
Yang et al. Graphene-based tunable metamaterial terahertz filters
Xia et al. The interaction of light and graphene: basics, devices, and applications
Liu et al. Segregation growth of graphene on Cu–Ni alloy for precise layer control
Zhang et al. Tunable terahertz absorption in graphene-based metamaterial
Cai et al. Fabrication strategies of twisted bilayer graphenes and their unique properties
Butun et al. Quantifying plasmon-enhanced light absorption in monolayer WS2 films
He et al. Tunable electromagnetically induced transparency based on terahertz graphene metamaterial
KR20130007690A (ko) 메타물질 구조체 및 그의 제조방법
CN103001003B (zh) 基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料
CN102707537A (zh) 一种基于相变材料的可调谐超材料吸收器
Chen et al. A terahertz photomixer based on plasmonic nanoantennas coupled to a graphene emitter
Mencarelli et al. Design of a coplanar graphene-based nano-patch antenna for microwave application
US20140070167A1 (en) Solid State Cloaking for Electrical Charge Carrier Mobility Control
Wu et al. Active metasurfaces for manipulatable terahertz technology
Li et al. Two‐dimensional metal chalcogenide heterostructures: Designed growth and emerging novel applications
CN104297949A (zh) 基于高q环形谐振腔的石墨烯电光调制器

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