KR102430948B1 - Infrared optical sensor and a method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

기판, 상기 기판 상의 채널층, 상기 채널층 상에 분산되어 배치되는 광 흡수 구조체들, 및 상기 기판 상에 배치되고, 상기 채널층의 양측에 배치되는 전극들을 포함하는 적외선 광 센서를 제공하되, 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다.An infrared optical sensor comprising a substrate, a channel layer on the substrate, light absorbing structures dispersedly disposed on the channel layer, and electrodes disposed on the substrate and disposed on both sides of the channel layer, wherein the The channel layer and the light absorption structures may include a transition metal chalcogen compound.

Description

적외선 광 센서 및 그의 제조 방법{INFRARED OPTICAL SENSOR AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}Infrared optical sensor and manufacturing method thereof

본 발명은 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하는 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 수직 나노 구조체에서의 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인한 근적외선 파장에서 광 흡수 효과가 향상된 광 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an infrared light sensor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an infrared light sensor including a transition metal chalcogen compound and a method for manufacturing the same. In particular, it relates to an optical sensor having an improved light absorption effect at a near-infrared wavelength due to a surface plasmon resonance phenomenon in a vertical nanostructure.

이차원 소재란, 각 층 내의 원자들은 강한 이온결합 또는 공유결합으로 결합하고 있는 반면, 층들 사이는 반데르발스 힘(Van der Waals force)으로 결합되어 있어서 층들이 쉽게 서로 박리되는 특성을 갖는 소재를 의미한다. 이러한 이차원 소재는 하나의 층 내에서 전하들이 이동 및 전송되므로 이동도가 매우 빠른 특성을 갖는다. 특히, 2차원 반도체는 뛰어난 전기적, 기계적, 광학적 특성을 지니는 물질로, 유연한 소자 및 투명 소자에 적용 가능한 차세대 반도체 물질로 각광 받고 있다.A two-dimensional material refers to a material in which the atoms in each layer are bonded by strong ionic or covalent bonds, while the layers are bonded by Van der Waals force, so that the layers are easily separated from each other. do. This two-dimensional material has a very fast mobility because charges move and transfer within one layer. In particular, a 2D semiconductor is a material having excellent electrical, mechanical, and optical properties, and has been spotlighted as a next-generation semiconductor material applicable to flexible and transparent devices.

전이금속 칼코겐 화합물는 전이금속 원소와 칼코겐 원소 간의 결합으로 이루어진 화합물로 대표적인 2차원 소재이다. 전이금속 칼코겐 화합물은 벌크(bulk) 상태와 단일층(monolayer) 상태에서 상이한 밴드갭을 갖는다. 즉, 두께(분자층수)에 따라서 밴드갭을 비롯한 물리적, 화학적 특성이 변화하는 특성을 갖는다.A transition metal chalcogen compound is a compound composed of a bond between a transition metal element and a chalcogen element, and is a representative two-dimensional material. The transition metal chalcogen compound has a different band gap in a bulk (bulk) state and a monolayer (monolayer) state. That is, it has a characteristic that physical and chemical properties including the band gap change according to the thickness (number of molecular layers).

하지만, 반도체 특성을 가지는 단일층의 전이금속 칼코겐 화합물의 경우, 작은 비표면적 및 그 고유의 밴드갭(1.5eV 내지 2.0eV)으로 인해 광 흡수 효율 및 가시광 영역에서의 파장 선택성에서 한계를 갖는다.However, in the case of a single-layer transition metal chalcogen compound having semiconductor properties, there is a limit in light absorption efficiency and wavelength selectivity in the visible light region due to a small specific surface area and an inherent band gap (1.5 eV to 2.0 eV).

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광 흡수 효율이 향상되고, 광 흡수 파장이 근적외선 영역까지 확장된 3차원 나노 구조의 흡수체를 포함한 전이금속 칼코겐 화합물 기반의 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an infrared optical sensor based on a transition metal chalcogen compound including a three-dimensional nanostructure absorber with improved light absorption efficiency and a light absorption wavelength extended to the near-infrared region, and a method for manufacturing the same. .

더하여, 나노 구조체에 파장 조절 원소의 결합을 통해 플라즈몬 공명에 따른 흡수 파장을 조정하는 방법을 제공하는데 있다.In addition, there is provided a method of adjusting the absorption wavelength according to plasmon resonance through the binding of the wavelength control element to the nanostructure.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전기적 특성이 향상된 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object to be solved by the present invention is to provide an infrared optical sensor having improved electrical properties and a method for manufacturing the same.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 광 센서는 기판, 상기 기판 상의 채널층, 상기 채널층 상에 분산되어 배치되는 광 흡수 구조체들, 및 상기 기판 상에 배치되고, 상기 채널층의 양측에 배치되는 전극들을 포함할 수 있다. 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다.Infrared optical sensor according to embodiments of the present invention for solving the above-described technical problems is disposed on the substrate, the channel layer on the substrate, the light absorption structures dispersedly disposed on the channel layer, and the substrate, It may include electrodes disposed on both sides of the channel layer. The channel layer and the light absorbing structures may include a transition metal chalcogen compound.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층은 결정면이 상기 기판의 표면과 평행한 2차원의 결정 구조를 가질 수 있다.According to an embodiment, the channel layer may have a two-dimensional crystal structure in which a crystal plane is parallel to the surface of the substrate.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층은 하나의 분자층을 갖는 단분자층(mono-molecular layer), 또는 복수의 분자층을 갖는 다분자층(multi-molecular layer)으로 구성될 수 있다.According to an embodiment, the channel layer may be formed of a mono-molecular layer having one molecular layer or a multi-molecular layer having a plurality of molecular layers.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동일한 물질로 구성될 수 있다.According to an embodiment, the channel layer and the light absorption structures may be made of the same material.

일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 구조체들의 폭 및 높이는 1nm 내지 10000nm일 수 있다.According to an embodiment, the width and height of the light absorption structures may be 1 nm to 10000 nm.

일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 구조체들의 표면에 화학적으로 결합되는 파장 조절 원소를 더 포함할 수 있다. According to an embodiment, a wavelength control element chemically bonded to the surfaces of the light absorbing structures may be further included.

일 실시예에 따르면, 상기 파장 조절 원소는 수소, 산소, 칼코겐 원소, 할로겐 원소 또는 전이금속 원소를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the wavelength control element may include hydrogen, oxygen, a chalcogen element, a halogen element, or a transition metal element.

일 실시예에 따르면, 상기 전극들은 그래핀(graphene), 금속 원소 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다.According to an embodiment, the electrodes may include graphene, a metal element, or a metal compound.

상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법은 기판 상에 채널층을 형성하는 것, 상기 채널층의 상면 상에 광 흡수 구조체들을 성장시키는 것, 및 상기 기판 상의 상기 채널층의 양측에 전극들을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 채널층을 형성하는 것 및 상기 광 흡수 구조체들을 형성하는 것은 상기 기판 일측에 전이금속 원소 소스 및 칼코겐 원소 소스를 제공하는 것, 상기 기판 상에 상기 전이금속 원소 소스의 증기 및 상기 칼코겐 원소 소스의 증기를 공급하는 것, 및 상기 기판 상에 열을 가하는 것을 포함할 수 있다.In a method for manufacturing an infrared light sensor according to embodiments of the present invention for solving the above technical problems, forming a channel layer on a substrate, growing light absorption structures on an upper surface of the channel layer, and the It may include forming electrodes on both sides of the channel layer on the substrate. Forming the channel layer and forming the light absorption structures is to provide a transition metal element source and a chalcogen element source on one side of the substrate, the vapor of the transition metal element source and the chalcogen element on the substrate supplying the vapor of the source, and applying heat on the substrate.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동일한 공정을 연속적으로 수행하는 인-시츄 방식(in-situ manner)으로 형성될 수 있다.According to an embodiment, the channel layer and the light absorption structures may be formed in an in-situ manner in which the same process is continuously performed.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층의 형성 공정 시, 상기 칼코겐 원소 소스의 증기는 상기 전이금속 원소 소스의 증기에 대한 제 1 분압비를 갖고, 상기 광 흡수 구조체들의 형성 공정 시, 상기 칼코겐 원소 소스의 증기는 상기 전이금속 원소 소스의 증기에 대한 제 2 분압비를 가질 수 있다. 상기 제 2 분압비는 상기 제 1 분압비보다 작을 수 있다.According to one embodiment, during the process of forming the channel layer, the vapor of the chalcogen element source has a first partial pressure ratio with respect to the vapor of the transition metal element source, and during the formation process of the light absorption structures, the chalcogen The vapor of the elemental source may have a second partial pressure ratio with respect to the vapor of the transition metal element source. The second partial pressure ratio may be smaller than the first partial pressure ratio.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동시에 형성될 수 있다.According to an embodiment, the channel layer and the light absorption structures may be simultaneously formed.

일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 구조체들은 상기 채널층 상에서 국부적으로 성장할 수 있다.According to an embodiment, the light absorption structures may be locally grown on the channel layer.

일 실시예에 따르면, 상기 채널층은 수평 성장하여, 상기 기판의 상면과 평행한 2차원 결정 구조를 갖도록 형성될 수 있다.According to an embodiment, the channel layer may be formed to have a two-dimensional crystal structure parallel to the upper surface of the substrate by horizontal growth.

일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 구조체들을 형성한 후, 상기 광 흡수 구조체들의 표면에 파장 조절 원소를 결합시키는 것을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, after forming the light absorption structures, the method may further include bonding a wavelength control element to the surfaces of the light absorption structures.

일 실시예에 따르면, 상기 파장 조절 원소를 결합시키는 것은 플라즈마 증착 공정, 화학 기상 증착(CVD) 공정 또는 원자층 박막 증착(ALD) 공정을 포함할 수 있다. 상기 공정들은 증착되는 상기 파장 조절 원소가 막(layer)을 형성하기 전에 중지될 수 있다.In one embodiment, combining the wavelength control element may include a plasma deposition process, a chemical vapor deposition (CVD) process, or an atomic layer thin film deposition (ALD) process. The processes may be stopped before the deposited wavelength control element forms a layer.

본 발명의 실시예들에 따른 적외선 광 센서는 채널층 상에 국부적으로 배치되는 클러스터 형상의 광 흡수 구조체들을 가질 수 있다. 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들을 이용하여 광을 흡수할 수 있으며, 이와 동시에 광 흡수에 의해 발생된 전하를 채널층을 통해 이동시킬 수 있다.The infrared light sensor according to embodiments of the present invention may have cluster-shaped light absorbing structures that are locally disposed on the channel layer. The infrared light sensor may absorb light using light absorbing structures, and at the same time may move charges generated by light absorption through the channel layer.

또한, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체가 갖는 3차원 형상 및 높은 전하 밀도에 의해 발생되는 국소 표면 플라즈몬 형상으로 인해 가시광 영역 및 적외선 영역에서의 광 흡수 능력을 향상시킬 수 있다.In addition, the infrared light sensor can improve the light absorption ability in the visible light region and the infrared region due to the three-dimensional shape of the light absorbing structure and the local surface plasmon shape generated by the high charge density.

더하여, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들의 크기 및 양을 조절하여 흡수하고자 하는 광의 파장 대역을 용이하게 조절할 수 있다.In addition, the infrared light sensor can easily adjust the wavelength band of the light to be absorbed by adjusting the size and amount of the light absorbing structures.

적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들의 표면에 파장 조절 원소를 결합시켜 흡수하고자 하는 광의 파장 대역을 용이하게 조절할 수 있다.The infrared light sensor may easily control a wavelength band of light to be absorbed by binding a wavelength control element to the surface of the light absorbing structures.

도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 3은 채널층 및 광 흡수 구조체들의 형성 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4a 내지 도 4c는 실험예 1에 따라 형성된 채널층 및 광 흡수 구조체들의 사진들이다.
도 5는 실험예들 및 비교예의 광 여기에 따른 발광 스펙트럼의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험예들 및 비교예의 광 흡수 스펙트럼의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실험예들 및 비교예의 광 전류의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an infrared light sensor according to some embodiments of the present invention.
2A to 2D are perspective views illustrating a method of manufacturing an infrared light sensor according to some embodiments of the present invention.
3 is a schematic diagram for explaining a process of forming a channel layer and light absorbing structures.
4A to 4C are photographs of a channel layer and light absorbing structures formed according to Experimental Example 1. Referring to FIG.
5 is a graph showing measurement results of emission spectra according to light excitation of Experimental Examples and Comparative Examples.
6 is a graph showing measurement results of light absorption spectra of Experimental Examples and Comparative Examples.
7 is a graph showing measurement results of photocurrent in Experimental Examples and Comparative Examples.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.In order to fully understand the configuration and effects of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be embodied in various forms and various modifications may be made. However, it is provided so that the disclosure of the present invention is complete through the description of the present embodiments, and to fully inform those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the scope of the invention. Those of ordinary skill in the art will understand that the inventive concept may be practiced in any suitable environment.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural, unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, 'comprises' and/or 'comprising' refers to the presence of one or more other components, steps, operations and/or elements mentioned. or addition is not excluded.

본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.In this specification, when a film (or layer) is referred to as being on another film (or layer) or substrate, it may be formed directly on the other film (or layer) or substrate, or a third film (or layer) between them. or layer) may be interposed.

본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. In various embodiments of the present specification, the terms first, second, third, etc. are used to describe various regions, films (or layers), etc., but these regions and films should not be limited by these terms. do. These terms are only used to distinguish one region or film (or layer) from another region or film (or layer). Accordingly, a film quality referred to as a first film quality in one embodiment may be referred to as a second film quality in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof. Parts indicated with like reference numerals throughout the specification indicate like elements.

본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.Unless otherwise defined, terms used in the embodiments of the present invention may be interpreted as meanings commonly known to those of ordinary skill in the art.

이하, 도면들 참조하여 본 발명의 개념에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 도시한 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들이다. 도 3은 채널층 및 광 흡수 구조체들의 형성 공정을 설명하기 위한 개략도이다.Hereinafter, a method of manufacturing an infrared light sensor according to the concept of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an infrared light sensor according to some embodiments of the present invention. 2A to 2D are perspective views illustrating a method of manufacturing an infrared light sensor according to some embodiments of the present invention. 3 is a schematic diagram for explaining a process of forming a channel layer and light absorbing structures.

도 1 및 도 2a를 참조하여, 기판(10)이 제공될 수 있다. 기판(10)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 기판(10)은 일반적인 반도체 소자에 이용되는 기판이면 특별히 제한되지 않고 이용될 수 있다.1 and 2A , a substrate 10 may be provided. The substrate 10 may be a semiconductor substrate. For example, the substrate 10 may include silicon or silicon oxide. The substrate 10 is not particularly limited as long as it is a substrate used for a general semiconductor device and may be used.

기판(10)에 전처리 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)의 전처리 공정은 열 처리 공정을 포함할 수 있다. 상기 전처리 공정은 기판(10)의 표면의 화학적 반응성을 균일하게 하기 위하여 수행될 수 있다. 기판(10)의 전처리 공정은 필요에 따라 수행되지 않을 수 있다.A pretreatment process may be performed on the substrate 10 . For example, the pretreatment process of the substrate 10 may include a heat treatment process. The pretreatment process may be performed to make the chemical reactivity of the surface of the substrate 10 uniform. The pretreatment process of the substrate 10 may not be performed as necessary.

기판(10) 상에 채널층(20)이 형성될 수 있다(S1-1). 채널층(20)은 기판(10) 상에 전이금속 원소 및 칼코겐 원소를 화학 결합시켜 형성될 수 있다. 일 예로, 채널층(20)은 열 증착법(thermal evaporation)을 이용하여 형성될 수 있다. 이하, 채널층(20)의 형성 공정(S1-1)의 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.A channel layer 20 may be formed on the substrate 10 ( S1-1 ). The channel layer 20 may be formed by chemically bonding a transition metal element and a chalcogen element on the substrate 10 . For example, the channel layer 20 may be formed using thermal evaporation. Hereinafter, an embodiment of the forming process ( S1-1 ) of the channel layer 20 will be described in more detail.

도 2a 및 도 3을 참조하여, 챔버(100)가 제공될 수 있다. 챔버(100)의 내부는 진공 상태로 제공될 수 있다. 일 예로, 챔버(100)의 일측에 진공 펌프(110)가 연결될 수 있다. 챔버(100)는 제 1 영역(R1) 및 제 2 영역(R2)을 가질 수 있다. 후술할 바와 같이 제 1 영역(R1)에서는 기화 반응이 일어날 수 있고, 제 2 영역(R2)에서는 기화 및 증착 반응이 일어날 수 있다. 챔버(100) 내에 캐리어 가스(120)가 주입될 수 있다. 캐리어 가스(120)는 제 1 영역(R1)으로부터 제 2 영역(R2)을 향하여 흐를 수 있다. 일 예로, 캐리어 가스(120)는 아르콘(Ar)을 포함할 수 있다. 제 1 발열부(210) 및 제 2 발열부(220)가 챔버(100)의 외부에 제공될 수 있다. 제 1 발열부(210)는 제 1 영역(R1)에 열을 제공할 수 있고, 제 2 발열부(220)는 제 2 영역(R2)에 열을 제공할 수 있다.2A and 3 , a chamber 100 may be provided. The interior of the chamber 100 may be provided in a vacuum state. For example, the vacuum pump 110 may be connected to one side of the chamber 100 . The chamber 100 may have a first region R1 and a second region R2 . As will be described later, a vaporization reaction may occur in the first region R1 , and vaporization and deposition reactions may occur in the second region R2 . A carrier gas 120 may be injected into the chamber 100 . The carrier gas 120 may flow from the first region R1 toward the second region R2 . For example, the carrier gas 120 may include arcon (Ar). The first heating unit 210 and the second heating unit 220 may be provided outside the chamber 100 . The first heating unit 210 may provide heat to the first region R1 , and the second heating unit 220 may provide heat to the second region R2 .

챔버(100) 내에 기판(10)이 제공될 수 있다. 기판(10)은 챔버(100)의 제 2 영역(R2)에 제공될 수 있다. 챔버(100) 내에 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)가 제공될 수 있다. 전이금속 원소 소스(300)는 챔버(100)의 제 2 영역(R2)에 제공될 수 있고, 칼코겐 원소 소스(400)는 챔버(100)의 제 1 영역(R1)에 제공될 수 있다. 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)는 분말 형태로 제공될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전이금속 원소 소스(300)는 Ti, Mo, V, Mn, Cr, Fe, Ni, Cu, Co, Nb, Ta, W, Nb, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Ag, Au, Pt, Cd, In, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi, Zr, Te, Pd, Hf 또는 이들의 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전이금속 원소 소스(300)는 (NH4)2MoS4, (NH4)6Mo7O24·4H2, ((CH3)4N)2MoS4, ((C2H5)4N)2MoS4, Mo(CO)6, MoCl5, MoOCl4 또는 MoO3일 수 있다. 칼코겐 원소 소스(400)는 황(S) 원소를 포함하는 유기 화합물 또는 무기 화합물을 포함할 수 있다. 일 예로, 칼코겐 원소 소스(400)는 H2S, CS2, SO2, S2, (NH4)2S, C6H8OS, S(C6H4NH2)2 또는 Na2SH2O일 수 있다.A substrate 10 may be provided in the chamber 100 . The substrate 10 may be provided in the second region R2 of the chamber 100 . A transition metal element source 300 and a chalcogen element source 400 may be provided in the chamber 100 . The transition metal element source 300 may be provided in the second region R2 of the chamber 100 , and the chalcogen element source 400 may be provided in the first region R1 of the chamber 100 . The transition metal element source 300 and the chalcogen element source 400 may be provided in powder form, but the present invention is not limited thereto. The transition metal element source 300 is Ti, Mo, V, Mn, Cr, Fe, Ni, Cu, Co, Nb, Ta, W, Nb, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Ag, Au, Pt, Cd, In, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi, Zr, Te, Pd, Hf, or a compound thereof. For example, the transition metal element source 300 is (NH 4 ) 2 MoS 4 , (NH 4 ) 6 Mo 7 O 24 .4H 2 , ((CH 3 ) 4 N) 2 MoS 4 , ((C 2 H) 5 ) 4 N) 2 MoS 4 , Mo(CO) 6 , MoCl 5 , MoOCl 4 or MoO 3 . The chalcogen element source 400 may include an organic compound or an inorganic compound containing element sulfur (S). For example, the chalcogen element source 400 is H 2 S, CS 2 , SO 2 , S 2 , (NH 4 ) 2 S, C 6 H 8 OS, S(C 6 H 4 NH 2 ) 2 or Na 2 SH 2 O.

기판(10) 상에 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 공급될 수 있다. 제 1 증기(310)는 전이금속 원소 소스(300)가 기화된 증기이며, 제 2 증기(410)는 칼코겐 원소 소스(400)가 기화된 증기일 수 있다. 일 예로, 제 2 발열부(220)를 이용하여 전이금속 원소 소스(300)를 기화시키고, 제 1 발열부(210)를 이용하여 칼코겐 원소 소스(400)를 기화시킬 수 있다. 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)는 기판(10) 상으로 확산되거나, 캐리어 가스(120)에 의해 기판(10) 상으로 이동할 수 있다. 제 1 증기(310)는 챔버(100) 내에 제 1 분압(pp1)으로 제공되고, 제 2 증기(410)는 챔버(100) 내에 제 2 분압(pp2)으로 제공될 수 있다. 제 1 분압(pp1) 및 제 2 분압(pp2)에 따라, 기판(10) 상에 공급되는 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 양을 조절될 수 있다. 일 예로, 제 1 발열부(210) 및 제 2 발열부(220)에 의해 공급되는 열의 양을 변화시켜, 소스들(300, 400)로부터 발생되는 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 양, 즉 제 1 분압(pp1) 및 제 2 분압(pp2)이 조절될 수 있다. 또는, 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 양은 기판(10)과 전이금속 원소 소스(300) 간의 거리 또는 기판(10)과 칼코겐 원소 소스(400) 간의 거리를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 일 예로, 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)를 기판(10)과 인접하게 배치하여, 기판(10) 상에 제공되는 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 양을 증가시킬 수 있다.The first vapor 310 and the second vapor 410 may be supplied on the substrate 10 . The first vapor 310 may be a vapor in which the transition metal source 300 is vaporized, and the second vapor 410 may be vapor in which the chalcogen element source 400 is vaporized. For example, the transition metal element source 300 may be vaporized using the second heating unit 220 , and the chalcogen element source 400 may be vaporized using the first heating unit 210 . The first vapor 310 and the second vapor 410 may diffuse onto the substrate 10 or may move onto the substrate 10 by the carrier gas 120 . The first vapor 310 may be provided in the chamber 100 at a first partial pressure pp1 , and the second vapor 410 may be provided in the chamber 100 at a second partial pressure pp2 . Amounts of the first vapor 310 and the second vapor 410 supplied to the substrate 10 may be adjusted according to the first partial pressure pp1 and the second partial pressure pp2 . For example, the first steam 310 and the second steam 410 generated from the sources 300 and 400 by changing the amount of heat supplied by the first heating unit 210 and the second heating unit 220 . ), that is, the first partial pressure pp1 and the second partial pressure pp2 may be adjusted. Alternatively, the amounts of the first vapor 310 and the second vapor 410 are adjusted by changing the distance between the substrate 10 and the transition metal element source 300 or the distance between the substrate 10 and the chalcogen element source 400 . can be For example, by disposing the transition metal element source 300 and the chalcogen element source 400 adjacent to the substrate 10 , the first vapor 310 and the second vapor 410 provided on the substrate 10 . can increase the amount of

제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 반응하여 기판(10) 상에 채널층(20)이 형성될 수 있다. 일 예로, 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 기상 반응(gas phase reaction)을 통해 기판(10)의 표면 상에 시드들(seeds)이 형성되며, 상기 시드들이 수평 성장하여 채널층(20)이 형성될 수 있다. 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 반응성을 향상시키기 위하여, 제 2 발열부(220)를 이용하여 기판(10)에 열이 제공될 수 있다. 채널층(20)은 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide)을 포함할 수 있다. 채널층(20)은 2차원 결정 구조를 가질 수 있다. 여기서, 2차원 결정 구조는 구성 원자들 간의 결합이 2차원 평면 상에서만 형성되며, 구성 원자들이 형성하는 분자층 사이에 약한 반데르발스 결합이 형성되어 층상 구조를 갖는 결정 구조를 의미한다. 채널층(20)의 분자층은 기판(10)의 상면과 평행할 수 있다. 즉, 채널층(20)은 그의 분자층들이 기판(10)에 수직한 방향으로 적층되는 구조를 가질 수 있다. 채널층(20)은 하나의 분자층을 갖는 단분자층(mono-molecular layer)으로 형성되거나, 또는 복수의 분자층을 갖는 다분자층(multi-molecular layer)으로 형성될 수 있다. 상기와 같이 기판(10) 상에 채널층(20)이 형성될 수 있다.The first vapor 310 and the second vapor 410 may react to form the channel layer 20 on the substrate 10 . For example, seeds are formed on the surface of the substrate 10 through a gas phase reaction between the first vapor 310 and the second vapor 410 , and the seeds grow horizontally to form a channel. A layer 20 may be formed. In order to improve the reactivity of the first vapor 310 and the second vapor 410 , heat may be provided to the substrate 10 using the second heating unit 220 . The channel layer 20 may include a transition metal dichalcogenide. The channel layer 20 may have a two-dimensional crystal structure. Here, the two-dimensional crystal structure refers to a crystal structure having a layered structure in which bonds between constituent atoms are formed only on a two-dimensional plane, and weak van der Waals bonds are formed between molecular layers formed by constituent atoms. The molecular layer of the channel layer 20 may be parallel to the top surface of the substrate 10 . That is, the channel layer 20 may have a structure in which molecular layers thereof are stacked in a direction perpendicular to the substrate 10 . The channel layer 20 may be formed as a mono-molecular layer having one molecular layer or as a multi-molecular layer having a plurality of molecular layers. As described above, the channel layer 20 may be formed on the substrate 10 .

도 1 및 도 2b를 참조하여, 채널층(20)의 상면 상에 광 흡수 구조체들(30)이 성장될 수 있다(S1-2). 광 흡수 구조체들(30)의 형성 공정은 채널층(20)의 형성 공정과 동일/유사할 수 있다. 일 예로, 도 3을 일부 참조하여, 챔버(100) 내에 채널층(20)이 형성된 기판(10), 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)가 제공될 수 있다. 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)를 가열하여, 기판(10) 상에 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 공급될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)의 형성 공정(S1-2)에서, 제 1 증기(310)는 챔버(100) 내에 제 3 분압(pp3)으로 제공되고, 제 2 증기(410)는 챔버(100) 내에 제 4 분압(pp4)으로 제공될 수 있다. 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 반응하여 채널층(20) 상에 광 흡수 구조체들(30)이 형성될 수 있다. 이때, 제 4 분압(pp4)에 대한 제 3 분압(pp3)의 분압비(=pp4/pp3)는 제 2 분압(pp2)에 대한 제 1 분압(pp1)의 분압비(=pp2/pp1)보다 작을 수 있다. 즉, 제 2 증기(410)의 비율은 채널층(20)의 형성 공정(S1-1)보다 광 흡수 구조체들(30)의 형성 공정(S1-2)에서 더 작을 수 있다. 칼코겐 원소를 포함하는 제 2 증기(410)의 비율이 낮을수록, 생성되는 전이금속 칼코겐 화합물의 표면 에너지(surface energy)가 높아질 수 있으며, 채널층(20)의 상면 상에 큰 크기의 전이금속 칼코겐 화합물 클러스터(cluster)가 형성될 수 있다. 여기서, 클러스터는 복수(일 예로, 수 내지 수백)의 원자 또는 분자가 모여 있는 집합체를 의미한다. 상기와 같은 공정을 통해 채널층(20)의 상면 상에 클러스터 형태의 광 흡수 구조체들(30)이 형성될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)은 채널층(20)의 상면 상에 국부적으로 형성될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)이 형성되는 양 및 형성되는 광 흡수 구조체들(30)의 크기는 기판(10) 상에 공급되는 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410) 간의 분압비, 공정 온도 또는 전이금속 원소와 기판(10) 사이의 거리를 통해 조절될 수 있다.1 and 2B , light absorption structures 30 may be grown on the upper surface of the channel layer 20 ( S1 - 2 ). A process for forming the light absorbing structures 30 may be the same as/similar to a process for forming the channel layer 20 . As an example, partially with reference to FIG. 3 , the substrate 10 on which the channel layer 20 is formed in the chamber 100 , the transition metal element source 300 , and the chalcogen element source 400 may be provided. By heating the transition metal element source 300 and the chalcogen element source 400 , the first vapor 310 and the second vapor 410 may be supplied on the substrate 10 . In the forming process ( S1 - 2 ) of the light absorption structures 30 , the first vapor 310 is provided in the chamber 100 at a third partial pressure pp3 , and the second vapor 410 is supplied to the chamber 100 . It may be provided at the fourth partial pressure (pp4) in the . Light absorption structures 30 may be formed on the channel layer 20 by reacting the first vapor 310 and the second vapor 410 . In this case, the partial pressure ratio of the third partial pressure pp3 to the fourth partial pressure pp4 (=pp4/pp3) is higher than the partial pressure ratio of the first partial pressure pp1 to the second partial pressure pp2 (=pp2/pp1). can be small That is, the ratio of the second vapor 410 may be smaller in the forming process ( S1 - 2 ) of the light absorption structures 30 than in the forming process ( S1-1 ) of the channel layer 20 . As the ratio of the second vapor 410 containing the chalcogen element is lower, the surface energy of the generated transition metal chalcogen compound may be increased, and a large-scale transition on the upper surface of the channel layer 20 may be obtained. A metal chalcogen compound cluster (cluster) may be formed. Here, the cluster refers to an aggregate in which a plurality (eg, several to hundreds) of atoms or molecules are gathered. The light absorbing structures 30 in a cluster shape may be formed on the upper surface of the channel layer 20 through the above process. The light absorption structures 30 may be locally formed on the upper surface of the channel layer 20 . The amount of the light absorbing structures 30 formed and the size of the formed light absorbing structures 30 are determined by the partial pressure ratio between the first vapor 310 and the second vapor 410 supplied on the substrate 10 , the process It can be controlled through the temperature or the distance between the transition metal element and the substrate 10 .

실시예들에 따르면, 채널층(20)을 형성하는 공정(S1-1) 및 광 흡수 구조체들(30)을 형성하는 공정(S1-2)은 동일한 공정을 연속적으로 수행하는 인-시츄(in-situ) 방식으로 진행될 수 있다. 일 예로, 광 흡수 구조체들(30)을 형성하는 공정(S1-2)은 채널층(20)이 형성된 후, 동일한 챔버(100) 내에서 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 분압비 및 공정 온도를 변화시켜 수행될 수 있다.According to embodiments, the process ( S1-1 ) of forming the channel layer 20 and the process ( S1 - 2 ) of forming the light absorption structures 30 are in-situ continuously performing the same process. -situ) may be used. For example, in the process ( S1 - 2 ) of forming the light absorption structures 30 , the first vapor 310 and the second vapor 410 are formed in the same chamber 100 after the channel layer 20 is formed. This can be done by changing the partial pressure ratio and the process temperature.

이와는 다르게, 채널층(20) 및 광 흡수 구조체들(30)은 동시에 형성될 수 있다. 즉, 채널층(20)을 형성하는 공정(S1-1) 및 광 흡수 구조체들(30)을 형성하는 공정(S1-2)은 하나의 공정일 수 있다. 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 분압비 및 공정 온도에 따라, 채널층(20) 및 광 흡수 구조체들(30)이 동시에 성장할 수 있다. 일 예로, 공정 온도가 증가할수록 표면 확산 효과에 의해 2차원으로 성장하는 채널층(20)이 용이하게 형성될 수 있으며, 제 2 증기(410)의 분압을 감소시켜 클러스터 형태의 광 흡수 구조체들(30)이 동시에 형성될 수 있다.Alternatively, the channel layer 20 and the light absorption structures 30 may be simultaneously formed. That is, the process ( S1-1 ) of forming the channel layer 20 and the process ( S1 - 2 ) of forming the light absorption structures 30 may be one process. Depending on the partial pressure ratio of the first vapor 310 and the second vapor 410 and the process temperature, the channel layer 20 and the light absorption structures 30 may grow simultaneously. For example, as the process temperature increases, the channel layer 20 growing in two dimensions may be easily formed due to the surface diffusion effect, and the partial pressure of the second vapor 410 is reduced to form light absorbing structures ( 30) may be formed simultaneously.

이상에서, 채널층(20) 및 광 흡수 구조체들(30)을 형성하는 방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 채널층(20) 및 광 흡수 구조체들(30)은 플라즈마강화 화학증착법(PeCVD) 또는 열화학증착법(thermal-CVD)과 같은 다양한 기상 증착법을 통해 형성될 수 있다.In the above, the method of forming the channel layer 20 and the light absorption structures 30 has been described, but the present invention is not limited thereto. For example, the channel layer 20 and the light absorption structures 30 may be formed through various vapor deposition methods such as plasma-enhanced chemical vapor deposition (PeCVD) or thermal-CVD.

도 1 및 도 2c를 참조하여, 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 파장 조절 원소(40)가 결합될 수 있다(S2). 파장 조절 원소(40)는 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 화학적으로 결합될 수 있다. 여기서, 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 결합된 파장 조절 원소(40)는 단원자 또는 단분자이거나, 이와는 다르게 복수의 원자들 또는 분자들을 갖는 입자 형태일 수 있다. 파장 조절 원소(40)는 플라즈마 증착 공정(plasma deposition), 화학 기상 증착(CVD), 열처리 공정(heat treatment) 또는 원자층 박막 증착(ALD)을 통해 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 결합될 수 있다. 이때, 상기 증착 공정들은 파장 조절 원소(40)가 광 흡수 구조체들(30)의 표면 상에 막(layer)을 형성하기 전에 중지될 수 있다. 파장 조절 원소(40)는 수소, 산소, 칼코겐 원소, 할로겐 원소 또는 전이금속 원소를 포함할 수 있다.1 and 2C , a wavelength control element 40 may be coupled to the surface of the light absorption structures 30 ( S2 ). The wavelength control element 40 may be chemically bonded to the surface of the light absorbing structures 30 . Here, the wavelength control element 40 bonded to the surface of the light absorbing structures 30 may be a single atom or a single molecule, or otherwise, may be in the form of a particle having a plurality of atoms or molecules. The wavelength control element 40 may be coupled to the surface of the light absorbing structures 30 through plasma deposition, chemical vapor deposition (CVD), heat treatment, or atomic layer thin film deposition (ALD). can In this case, the deposition processes may be stopped before the wavelength control element 40 forms a layer on the surface of the light absorption structures 30 . The wavelength control element 40 may include hydrogen, oxygen, a chalcogen element, a halogen element, or a transition metal element.

도 1 및 도 2d를 참조하여, 기판(10) 상에 전극들(50)이 형성될 수 있다(S3). 전극들(50)은 채널층(20)의 양측에 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극들(50)은 채널층(20)의 양측에 그래핀(graphene)을 전사하여 형성되거나, 도전막을 형성한 후 패터닝하여 형성될 수 있다. 전극들(50)은 그래핀, 금속 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다.1 and 2D , electrodes 50 may be formed on the substrate 10 ( S3 ). The electrodes 50 may be formed on both sides of the channel layer 20 . For example, the electrodes 50 may be formed by transferring graphene to both sides of the channel layer 20 , or may be formed by patterning after forming a conductive layer. The electrodes 50 may include graphene, a metal, or a metal compound.

도 2d를 참조하여, 적외선 광 센서는 기판(10), 채널층(20), 광 흡수 구조체들(30) 및 전극들(50)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2D , the infrared light sensor may include a substrate 10 , a channel layer 20 , light absorption structures 30 , and electrodes 50 .

기판(10)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.The substrate 10 may include a semiconductor substrate. For example, the substrate 10 may include silicon or silicon oxide.

기판(10) 상에 채널층(20)이 배치될 수 있다. 채널층(20)은 2차원 결정 구조를 갖는 반도체 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 채널층(20)은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다. 채널층(20)의 분자층은 기판의 상면과 평행할 수 있다. 채널층(20)은 하나의 분자층을 갖는 단분자층(mono-molecular layer)이거나, 복수의 분자층을 갖는 다분자층(multi-molecular layer)으로 구성될 수 있다.A channel layer 20 may be disposed on the substrate 10 . The channel layer 20 may be made of a semiconductor material having a two-dimensional crystal structure. For example, the channel layer 20 may include a transition metal chalcogen compound. The molecular layer of the channel layer 20 may be parallel to the upper surface of the substrate. The channel layer 20 may be a mono-molecular layer having one molecular layer or a multi-molecular layer having a plurality of molecular layers.

채널층(20) 상에 광 흡수 구조체들(30)이 배치될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)은 채널층(20)의 상면 상에 분산되어 배치될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)은 클러스터(cluster) 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 광 흡수 구조체들(30)은 나노 플레이크(nano flake) 또는 나노 플레이트(nano plate) 형상을 가질 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)의 폭 및 높이는 1nm 내지 10000nm일 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)은 채널층(20)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 광 흡수 구조체들(30)은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다.Light absorption structures 30 may be disposed on the channel layer 20 . The light absorption structures 30 may be dispersedly disposed on the upper surface of the channel layer 20 . The light absorbing structures 30 may have a cluster shape. For example, the light absorbing structures 30 may have a nano flake or nano plate shape. The width and height of the light absorption structures 30 may be 1 nm to 10000 nm. The light absorption structures 30 may be made of the same material as the channel layer 20 . For example, the light absorption structures 30 may include a transition metal chalcogen compound.

본 발명의 실시예들에 따르면, 적외선 광 센서는 2차원 반도체인 채널층(20) 상에 국부적으로 배치되는 클러스터 형상의 광 흡수 구조체들(30)을 가질 수 있다. 클러스터 형상의 광 흡수 구조체들(30)은 그의 표면에서 원자들 간 화학 결합에 결함들을 가질 수 있다. 이에 따라, 광 흡수 구조체들(30)의 표면은 전자 밀도가 높을 수 있으며, 국소 표면 플라스몬 공명(localized surface plasmon resonance)이 발생할 수 있다. 즉, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들(30)을 이용하여 광을 흡수할 수 있으며, 광 흡수에 의해 발생된 전하를 채널층(20)을 통해 이동시킬 수 있다.According to embodiments of the present invention, the infrared light sensor may have cluster-shaped light absorbing structures 30 that are locally disposed on the channel layer 20 that is a two-dimensional semiconductor. The cluster-shaped light absorbing structures 30 may have defects in chemical bonding between atoms on their surface. Accordingly, the surface of the light absorbing structures 30 may have a high electron density, and localized surface plasmon resonance may occur. That is, the infrared light sensor may absorb light using the light absorption structures 30 , and may move charges generated by light absorption through the channel layer 20 .

더하여, 광 흡수 구조체들(30)의 크기, 양 및 전하 농도에 따라 국소 표면 플라스몬 공명의 공명 주파수가 달라질 수 있다. 즉, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들(30)의 크기, 양 및 전하 농도를 조절하여 흡수하고자 하는 광의 파장 대역을 조절할 수 있다.In addition, the resonance frequency of the local surface plasmon resonance may vary according to the size, amount, and charge concentration of the light absorbing structures 30 . That is, the infrared light sensor may adjust the wavelength band of the light to be absorbed by adjusting the size, amount, and charge concentration of the light absorption structures 30 .

광 흡수 구조체들(30)의 표면 상에 파장 조절 원소(40)가 결합될 수 있다. 파장 조절 원소(40)는 광 흡수 구조체들(30)의 표면의 상기 결함들에 물리적 또는 화학적으로 결합할 수 있다. 파장 조절 원소(40)가 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 결합하여, 광 흡수 구조체들(30)의 표면의 전자 밀도가 증가 혹은 감소될 수 있다. 이에 따라, 국소 표면 플라스몬 공명의 공명 주파수가 달라질 수 있다. 즉, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 파장 조절 원소(40)를 결합시켜 흡수하고자 하는 광의 파장 대역을 조절할 수 있다.A wavelength adjusting element 40 may be coupled to the surface of the light absorbing structures 30 . The wavelength control element 40 may physically or chemically bond to the defects on the surface of the light absorbing structures 30 . The wavelength control element 40 is coupled to the surface of the light absorption structures 30 , so that the electron density of the surface of the light absorption structures 30 may be increased or decreased. Accordingly, the resonance frequency of the local surface plasmon resonance may vary. That is, the infrared light sensor may adjust the wavelength band of light to be absorbed by binding the wavelength control element 40 to the surface of the light absorption structures 30 .

기판(10) 상에 전극들(50)이 배치될 수 있다. 전극들(50)은 채널층(20)의 양측에 배치될 수 있다. 전극들(50)은 그래핀(graphene), 금속 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다.Electrodes 50 may be disposed on the substrate 10 . The electrodes 50 may be disposed on both sides of the channel layer 20 . The electrodes 50 may include graphene, a metal, or a metal compound.

실험예1Experimental Example 1

기판은 실리콘 기판을 사용하였다. 전이금속 원소 소스는 MoO3를 사용하였으며, 칼코겐 원소 소스는 황(S) 분말을 이용하였다. 기판, 전이금속 원소 소스 및 칼코겐 원소 소스를 챔버 내에 위치시킨 후, 챔버 내부를 진공으로 유지시켰다. 이후, 캐리어 가스를 챔버에 주입한 후, 챔버에 열을 인가하여 기판 상에 채널층 및 광 흡수 구조체들을 형성하였다. 채널층은 단일 분자층의 MoS2를 갖도록 형성하였으며, 광 흡수 구조체들은 채널층의 표면 상에 수직 성장된 MoS0를 갖도록 형성하였다. 이후, 채널층의 양측에 그래핀 전극을 형성하여 적외선 광 센서를 제조하였다. 적외선 광 센서는 적외선 영역의 광을 흡수하도록 제조되었다.A silicon substrate was used as the substrate. MoO 3 was used as the transition metal element source, and sulfur (S) powder was used as the chalcogen element source. After the substrate, the transition metal element source and the chalcogen element source were placed in the chamber, the interior of the chamber was maintained in a vacuum. Thereafter, after injecting a carrier gas into the chamber, heat was applied to the chamber to form a channel layer and light absorption structures on the substrate. The channel layer was formed to have a single molecular layer of MoS 2 , and the light absorption structures were formed to have MoS 0 grown vertically on the surface of the channel layer. Thereafter, graphene electrodes were formed on both sides of the channel layer to prepare an infrared light sensor. Infrared light sensors are manufactured to absorb light in the infrared region.

실험예Experimental example 2 2

실험예 1의 결과물에 산소를 이용한 플라즈마 증착 공정을 수행하여, 광 흡수 구조체들의 표면에 파장 조절 원소를 결합시켰다. 파장 조절 원소는 산소를 이용하였다.A plasma deposition process using oxygen was performed on the result of Experimental Example 1, and a wavelength control element was bonded to the surface of the light absorbing structures. Oxygen was used as the wavelength control element.

비교예comparative example

실험예 1과 동일하게 형성하되, 채널층 상에 광 흡수 구조체들이 형성되지 않도록 하였다.It was formed in the same manner as in Experimental Example 1, except that light absorbing structures were not formed on the channel layer.

도 4a 내지 도 4c는 실험예 1에 따라 형성된 채널층 및 광 흡수 구조체들의 사진들이다. 도 4a는 전이금속 소스와 기판의 간격이 0cm인 상태에서 채널층(20a) 및 광 흡수 구조체들(30a)을 형성한 적외선 광 센서이고, 도 4b는 전이금속 소스와 기판의 간격이 3cm인 상태에서 채널층(20b) 및 광 흡수 구조체들(30b)을 형성한 적외선 광 센서이고, 도 4c는 전이금속 소스와 기판의 간격이 6cm인 상태에서 채널층(20c) 및 광 흡수 구조체들(30c)을 형성한 적외선 광 센서이다. 도 4a 내지 도 4c에 참조하면, 채널층(20a, 20b, 20c) 및 광 흡수 구조체들(30a, 30b, 30c)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 적외선 광 센서의 제조 방법은 챔버 내에서 전이금속 소스와 기판 사이의 거리를 조절하여, 형성되는 적외선 광 흡수 구조체들의 양을 조절할 수 있음을 알 수 있다.4A to 4C are photographs of a channel layer and light absorbing structures formed according to Experimental Example 1. Referring to FIG. 4A is an infrared light sensor in which the channel layer 20a and the light absorbing structures 30a are formed in a state where the transition metal source and the substrate are spaced 0 cm apart, and FIG. 4B is the transition metal source and the substrate are spaced 3 cm apart. It is an infrared light sensor in which the channel layer 20b and the light absorbing structures 30b are formed, and FIG. 4C shows the channel layer 20c and the light absorbing structures 30c in a state where the gap between the transition metal source and the substrate is 6 cm. It is an infrared light sensor that has formed Referring to FIGS. 4A to 4C , it can be seen that the channel layers 20a, 20b, and 20c and the light absorption structures 30a, 30b, and 30c are formed. That is, it can be seen that the method of manufacturing the infrared light sensor of the present invention can control the amount of the infrared light absorbing structures formed by adjusting the distance between the transition metal source and the substrate in the chamber.

도 5는 실험예들 및 비교예의 광 여기에 따른 발광 스팩트럼의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 실험예들 및 비교예에 532nm의 파장을 갖는 레이저를 조사한 후, 발광되는 빛의 에너지를 측정하였다. 도 5를 참고하여, 단일층 MoS2는 입사광에 의해 Brillion zone의 K, K' point에서 광 여기에 의해 A 엑시톤과 가전도대의 spin orbital split에 의한 2.02eV의 에너지를 가지는 B 엑시톤이 형성된다. A 엑시톤은 1개의 전자와 1개의 홀이 결합하여 형성되는 1.85eV의 에너지를 가지는 A0 엑시톤과 두 개의 전자와 한 개의 홀이 결합하여 형성되는 1.88eV의 에너지를 가지는 A- 엑시톤으로 구분된다. A- 엑시톤은 전자 농도와 관련이 있어, 전자 농도가 증가할수록 A- 엑시톤에 의한 피크가 증가한다. 도 5를 참고하여, 실험예 1에서 MoS2의 수평 영역에서의 A- 엑시톤의 크기에 비해 수직 구조체에서의 A- 엑시톤의 크기가 증가한 것을 볼 수 있다. 더하여, 실험예 2는 실험예 1에 비해서 A- 엑시톤의 크기가 더욱 증가함을 볼 수 있다. 도 5의 측정에 따른 스펙트럼 분석 결과를 이용하여, 전하량 보존 법칙을 통해 수직 구조체에서의 전하 농도를 계산한 결과, 산소 플라즈마 유무에 따라 실험예 1의 3X1020cm-3에서 실험예 2의 9X1020cm-3으로 증가함을 알 수 있다. 이는 산소의 결합에 따라 나노 구조체에서의 전하 농도가 증가함을 반영한다. 일반적으로 반도체에서 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장은 반도체의 전하 농도에 기인한다. 반도체 특성을 가지는 2차원 전이금속 칼코겐 화합물의 경우, 대체로 그 전하 농도가 1012cm-3 내지 1014cm- 3로 원적외선이나 테라헤르츠 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명이 발생할 수 있다. 따라서, 가시광이나 근적외선 파장 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명을 발생시키기 위해서는 1020cm-3 이상의 전하 농도가 필요하다. 본 발명의 실시예들에 따라 산소 플라즈마 처리된 나노 구조체를 가지는 MoS2의 경우, 9X1020cm-3의 전하 농도를 가지므로 약 960nm의 근적외선 영역에서 플라즈몬 공명이 발생할 수 있음을 플라즈몬 공명 분산 관계식을 통해 예상할 수 있다.5 is a graph showing measurement results of emission spectra according to light excitation of Experimental Examples and Comparative Examples. After irradiating a laser having a wavelength of 532 nm to Experimental Examples and Comparative Examples, the energy of the emitted light was measured. Referring to FIG. 5 , in the single-layer MoS 2 , excitons A and B excitons having an energy of 2.02 eV by spin orbital split of the valence band are formed by light excitation at K, K′ points of the Brillion zone by incident light. A exciton is divided into A0 exciton having an energy of 1.85 eV, which is formed by combining one electron and one hole, and A- exciton, having an energy of 1.88 eV, formed by combining two electrons and one hole. A- exciton is related to the electron concentration, and as the electron concentration increases, the peak caused by A- exciton increases. Referring to FIG. 5 , in Experimental Example 1, it can be seen that the size of A- excitons in the vertical structure increased compared to the size of A- excitons in the horizontal region of MoS 2 . In addition, in Experimental Example 2, it can be seen that the size of A- excitons is further increased compared to Experimental Example 1. As a result of calculating the charge concentration in the vertical structure through the charge quantity conservation law using the spectrum analysis result according to the measurement in FIG. 5 , according to the presence or absence of oxygen plasma, 3X10 20 cm -3 of Experimental Example 1 to 9X10 20 of Experimental Example 2 It can be seen that it increases with cm -3 . This reflects that the charge concentration in the nanostructure increases with the binding of oxygen. In general, the wavelength of local surface plasmon resonance in a semiconductor is due to the charge concentration of the semiconductor. In the case of a two-dimensional transition metal chalcogen compound having semiconductor properties, a local surface plasmon resonance may occur in the far - infrared or terahertz region with a charge concentration of 10 12 cm -3 to 10 14 cm -3 in general. Therefore, in order to generate local surface plasmon resonance in the visible or near-infrared wavelength region, a charge concentration of 10 20 cm -3 or more is required. In the case of MoS 2 having a nanostructure treated with oxygen plasma according to embodiments of the present invention, since it has a charge concentration of 9X10 20 cm -3 , it is shown that plasmon resonance can occur in the near-infrared region of about 960 nm. can be predicted through

도 6은 실험예들 및 비교예의 광 흡수 스펙트럼의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 실험예 1, 실험예 2 및 비교예에 200nm 내지 1200nm의 파장을 갖는 광을 조사하여 흡수되는 광의 양을 측정하였다. 도 6을 참조하여, 비교예의 경우, 입사 광의 파장 300nm 내지 500nm에서 매우 낮은 흡수 피크를 보이며, 그 이외의 파장 영역에서 흡수 피크가 나타나지 않는다. 반면, 실험예 1 및 실험예 2는 적외선에 해당하는 입사 광의 파장 800nm 내지 1000nm에서 또한 높은 흡수 피크를 보였다. 즉, 본 발명의 적외선 광 센서는 흡수하고자 하는 파장의 광에 대하여 높은 흡수율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 더하여, 실험예 2의 경우 실험예 1보다 흡수 피크가 낮은 파장에서 발견되었다. 실험예 1 및 실험예 2에서, 근적외선 영역에서 플라즈몬 공명에 의한 중심 파장이 각각약 1000nm 및 950nm임을 확인할 수 있다. 즉, 실험예 2의 경우, 실험예 1보다 흡수 피크가 낮은 파장에서 발견되었다. 이는 도 5를 참고하여, 실험예 2가 실험예 1에 비해 높은 전하 농도를 가짐으로써, 보다 낮은 파장에서 플라즈몬 공명이 방생됨을 의미한다. 즉, 본 발명의 적외선 광 센서는 파장 조절 원소를 통해 흡수 파장을 조절할 수 있음을 알 수 있다.6 is a graph showing measurement results of light absorption spectra of Experimental Examples and Comparative Examples. The amount of absorbed light was measured by irradiating light having a wavelength of 200 nm to 1200 nm to Experimental Example 1, Experimental Example 2, and Comparative Example. Referring to FIG. 6 , in the case of the comparative example, a very low absorption peak is shown at a wavelength of 300 nm to 500 nm of the incident light, and an absorption peak does not appear in other wavelength regions. On the other hand, Experimental Example 1 and Experimental Example 2 also showed a high absorption peak at a wavelength of 800 nm to 1000 nm of incident light corresponding to infrared rays. That is, it can be confirmed that the infrared light sensor of the present invention exhibits a high absorption rate for light having a wavelength to be absorbed. In addition, in the case of Experimental Example 2, the absorption peak was found at a lower wavelength than Experimental Example 1. In Experimental Example 1 and Experimental Example 2, it can be confirmed that the central wavelength by plasmon resonance in the near-infrared region is about 1000 nm and 950 nm, respectively. That is, in the case of Experimental Example 2, the absorption peak was found at a lower wavelength than Experimental Example 1. This means that, with reference to FIG. 5 , Experimental Example 2 has a higher charge concentration than Experimental Example 1, thereby generating plasmon resonance at a lower wavelength. That is, it can be seen that the infrared light sensor of the present invention can control the absorption wavelength through the wavelength control element.

도 7은 실험예 1 및 비교예의 광 전류의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 실험예 1 및 비교예에 532nm 672nm 및 1064nm의 파장을 갖는 광을 조사한 후, 전극들 사이에 흐르는 광 전류를 측정하였다. 도 7을 참조하여, 각 파장들의 광에 대하여, 실험예 1이 비교예에 비하여 높은 광 전류가 측정되었다. 이는 실험예 1에서 높은 비표면적으로 인해 광 흡수 능력이 향상되고, 높은 전하 농도에 의해 국소 플라즈몬 공명이 발생함을 알 수 있다. 이에 따라, 실험예 1은 근적외선 영역에서의 흡수가 증가하여 비교예에 비해 광 전류가 증가했음을 의미한다. 즉, 본 발명의 적외선 광 센서는 가시광뿐만 아니라 근적외선 영역에서 높은 감도를 가진 것을 확인할 수 있다.7 is a graph showing measurement results of photocurrent in Experimental Example 1 and Comparative Example. After irradiating light having wavelengths of 532 nm, 672 nm and 1064 nm to Experimental Example 1 and Comparative Example, the photocurrent flowing between the electrodes was measured. Referring to FIG. 7 , for light of each wavelength, a higher photocurrent was measured in Experimental Example 1 than in Comparative Example. It can be seen that in Experimental Example 1, the light absorption ability is improved due to the high specific surface area, and local plasmon resonance occurs due to the high charge concentration. Accordingly, in Experimental Example 1, absorption in the near-infrared region increased, which means that the photocurrent increased compared to Comparative Example. That is, it can be confirmed that the infrared light sensor of the present invention has high sensitivity in the near-infrared region as well as the visible light.

이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.In the above, embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can practice the present invention in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. You will understand that there is Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

10: 기판 20: 채널층
30: 광 흡수 구조체 40: 파장 조절 원소
50: 전극
10: substrate 20: channel layer
30: light absorption structure 40: wavelength control element
50: electrode

Claims (15)

기판;
상기 기판 상의 채널층;
상기 채널층 상에 분산되어 배치되는 광 흡수 구조체들;
상기 기판 상에 배치되고, 상기 채널층의 양측에 배치되는 전극들; 및
상기 광 흡수 구조체들의 표면에 화학적으로 결합되는 파장 조절 원소;
를 포함하되,
상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하는 적외선 광 센서.
Board;
a channel layer on the substrate;
light absorbing structures dispersedly disposed on the channel layer;
electrodes disposed on the substrate and disposed on both sides of the channel layer; and
a wavelength control element chemically bonded to the surfaces of the light absorbing structures;
including,
The channel layer and the light absorbing structures are infrared light sensor comprising a transition metal chalcogen compound.
제 1 항에 있어서,
상기 채널층은 결정면이 상기 기판의 표면과 평행한 2차원의 결정 구조를 갖는 적외선 광 센서.
The method of claim 1,
The channel layer is an infrared optical sensor having a two-dimensional crystal structure in which a crystal plane is parallel to the surface of the substrate.
제 2 항에 있어서,
상기 채널층은 하나의 분자층을 갖는 단분자층(mono-molecular layer), 또는 복수의 분자층을 갖는 다분자층(multi-molecular layer)으로 구성되는 적외선 광 센서.
3. The method of claim 2,
The channel layer is an infrared optical sensor composed of a mono-molecular layer having one molecular layer or a multi-molecular layer having a plurality of molecular layers.
제 1 항에 있어서,
상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동일한 물질로 구성되는 적외선 광 센서.
The method of claim 1,
and the channel layer and the light absorbing structures are made of the same material.
제 1 항에 있어서,
상기 광 흡수 구조체들의 폭 및 높이는 1nm 내지 10000nm인 적외선 광 센서.
The method of claim 1,
An infrared light sensor having a width and a height of 1 nm to 10000 nm of the light absorbing structures.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 파장 조절 원소는 수소, 산소, 칼코겐 원소, 할로겐 원소 또는 전이금속 원소를 포함하는 적외선 광 센서.

The method of claim 1,
The wavelength control element is an infrared light sensor comprising hydrogen, oxygen, a chalcogen element, a halogen element or a transition metal element.

기판 상에 채널층을 형성하는 것;
상기 채널층의 상면 상에 광 흡수 구조체들을 성장시키는 것;
상기 광 흡수 구조체들의 표면에 파장 조절 원소를 결합시키는 것; 및
상기 기판 상의 상기 채널층의 양측에 전극들을 형성하는 것;
을 포함하되,
상기 채널층을 형성하는 것 및 상기 광 흡수 구조체들을 형성하는 것은:
상기 기판 일측에 전이금속 원소 소스 및 칼코겐 원소 소스를 제공하는 것;
상기 기판 상에 상기 전이금속 원소 소스의 증기 및 상기 칼코겐 원소 소스의 증기를 공급하는 것; 및
상기 기판 상에 열을 가하는 것;
을 포함하는 적외선 광 센서의 제조 방법.
forming a channel layer on the substrate;
growing light absorbing structures on the upper surface of the channel layer;
coupling a wavelength control element to the surface of the light absorbing structures; and
forming electrodes on both sides of the channel layer on the substrate;
including,
Forming the channel layer and forming the light absorption structures include:
providing a transition metal element source and a chalcogen element source on one side of the substrate;
supplying the vapor of the transition metal element source and the vapor of the chalcogen element source on the substrate; and
applying heat to the substrate;
A method of manufacturing an infrared light sensor comprising a.
제 8 항에 있어서,
상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동일한 공정을 연속적으로 수행하는 인-시츄 방식(in-situ manner)으로 형성되는 적외선 광 센서의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The method of manufacturing an infrared optical sensor in which the channel layer and the light absorption structures are formed in an in-situ manner in which the same process is continuously performed.
제 9 항에 있어서,
상기 채널층의 형성 공정 시, 상기 칼코겐 원소 소스의 증기는 상기 전이금속 원소 소스의 증기에 대한 제 1 분압비를 갖고,
상기 광 흡수 구조체들의 형성 공정 시, 상기 칼코겐 원소 소스의 증기는 상기 전이금속 원소 소스의 증기에 대한 제 2 분압비를 갖되,
상기 제 2 분압비는 상기 제 1 분압비보다 작은 적외선 광 센서의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
In the process of forming the channel layer, the vapor of the chalcogen element source has a first partial pressure ratio with respect to the vapor of the transition metal element source,
In the process of forming the light absorption structures, the vapor of the chalcogen element source has a second partial pressure ratio with respect to the vapor of the transition metal element source,
and the second partial pressure ratio is smaller than the first partial pressure ratio.
제 8 항에 있어서,
상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동시에 형성되는 적외선 광 센서의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The method of manufacturing an infrared light sensor in which the channel layer and the light absorption structures are simultaneously formed.
제 8 항에 있어서,
상기 광 흡수 구조체들은 상기 채널층 상에서 국부적으로 성장하는 적외선 광 센서의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The method of manufacturing an infrared light sensor in which the light absorption structures are locally grown on the channel layer.
제 8 항에 있어서,
상기 채널층은 수평 성장하여, 상기 기판의 상면과 평행한 2차원 결정 구조를 갖도록 형성되는 적외선 광 센서의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
The channel layer is horizontally grown to have a two-dimensional crystal structure parallel to the upper surface of the substrate.
삭제delete 제 8 항에 있어서,
상기 파장 조절 원소를 결합시키는 것은 플라즈마 증착 공정, 화학 기상 증착(CVD) 공정 또는 원자층 박막 증착(ALD) 공정을 포함하는 적외선 광 센서의 제조 방법.
9. The method of claim 8,
Incorporating the wavelength control element comprises a plasma deposition process, a chemical vapor deposition (CVD) process, or an atomic layer thin film deposition (ALD) process.
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